( PDF ) Desenvolvimento de um WebLab para estudo e caracterização de sistemas WDM

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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ERIK ACEIRO ANTONIO

DESENVOLVIMENTO DE UM WEBLAB PARA ESTUDO E

CARACTERIZAÇÃO DE SISTEMAS WDM

São Paulo

2008

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ERIK ACEIRO ANTONIO

DESENVOLVIMENTO DE UM WEBLAB PARA ESTUDO E

CARACTERIZAÇÃO DE SISTEMAS WDM

Dissertação apresentada à Universidade Presbiteriana

Mackenzie, como requisito parcial para a obtenção do

título de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Dr. Sérgio Szpigel

Co-Orientador: Dr. Eunézio Antonio de Souza

São Paulo

2008

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"Não conhecemos a regra do jogo; tudo que podemos

fazer é observar o jogo. É claro que, se o observarmos

por um bom tempo, acabaremos captando algumas das

regras. As regras do jogo são o que queremos dizer

por física fundamental."

Richard P. Feynman.

"Dedico este trabalho à minha querida esposa."

AGRADECIMENTOS

À minha esposa e eterna amiga, que com toda sua magnitude de carinho,

sustentou minhas diﬁculdades e me amparou em momentos difíceis.

Aos meus queridos pais.

Ao meu irmão Douglas, que com seu companherismo e conselhos de Físico

trouxeram preciosas contribuições para este trabalho.

Ao meu orientador e grande amigo Dr. Sérgio Szpigel, minha eterna

gratidão, por ter contribuído com seus ensinamentos, valiosa paciência,

acompanhamento constante e incentivo (quatro anos) que me levaram a

concluir essa empreitada.

Ao Dr. Eunézio Antonio de Souza (Thoróh) pelos comentários e sugestões

no decorrer do exame de qualiﬁcação e término do trabalho.

Ao Prof. Dr. Eduardo Landulfo (IPEN) que sempre foi prestativo para este

projeto e forneceu sugestões preciosas no exame de qualiﬁcação.

Ao Vagner e ao Prof. Dr. Hugo do Laboratório de Comunicações Ópticas

(Unicamp) que sempre foram prestativos para este projeto.

Ao meu amigo Corrales e sua família que sempre me motivaram e contri-

buiram para as descontrações (pizza) de ﬁnal de semana :).

Um agradecimento especial aos meus amigos Alexandre, Lúcia e Jackson,

pela paciência e companherismo.

A todos os meus amigos do Laboratório de Fotônica do Mackenzie.

RESUMO

O advento da Internet e o desenvolvimento das Tecnologias da Informação e Comunicação

(TIC’s) geraram novos espaços para a comunicação e colaboração entre grupos de pessoas loca-

lizadas emregiõesgeograﬁcamente distintas. A associação da tecnologia Web com a automação

e controle de instrumentos por computador tornou possível o desenvolvimento dos chamados

Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes distribuídos que permitem o acesso e controle

remoto de experimentos através de uma rede de comunicação ou da Internet em tempo real e

com sensação de presença. Neste trabalho, foi desenvolvido um WebLab para estudo e caracte-

rização de um sistema WDM (Wave Division Multiplexing), destinado a apoiar e complementar

atividades em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. Foram desenvolvi-

dos drivers e interfaces gráﬁcas de usuário (GUI’s) com o software LabVIEW para o controle

e aquisição de dados dos instrumentos utilizados em um experimento remoto de medida das

características básicas de um sistema WDM. Também foi desenvolvido um aplicativo com o

software VPI que permite simular a medida da Taxa de Erro de Bit (BER) do sistema. Este tra-

balho é parte das atividades relacionadas à participação do Laboratório de Fotônica Mackenzie

no Projeto KyaTera do Programa TIDIA da FAPESP.

Palavras-chave: Automação. WebLabs. WDM. BER. Simulação. VPI.

ABSTRACT

The advent of the Internet and the development of Information and Communication Techno-

logies (ICT’s) generated new spaces for communication and collaboration between groups of

people in geographically distinct regions. The association of Web technology with instrument

automation and control by computer has made possible the development of the so called Re-

mote Laboratories or WebLabs - distributed environments that allow to access and control ex-

periments remotely through a network or the Internet in real time and with the sensation of

presence. In this work, a WebLab was developed for the study and caracterization of a WDM

(Wave Division Multiplexing) system, aiming to support and complement activities in face-

to-face and distance courses on Optical Communications. Drivers and graphic user interfaces

(GUI’s) were developed with the software LabVIEW for control and data acquisition of ins-

truments used in a remote experiment to measure the basic features of a WDM system. An

application was also developed with the software VPI for the numerical simulation of Bit Error

Rate (BER) measurements. This work is part of the activities related to the participation of the

Mackenzie Photonics Laboratory in the KyaTera Project of FAPESP’s TIDIA Program.

Keywords: Automation. WebLabs. WDM. BER. Simulation. VPI.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Exemplo de Fluxograma. . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 6

Figura 2.2 Exemplo de Front Panel do LabVIEW. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 7

Figura 2.3 Exemplo de Block Diagram do LabVIEW. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 8

Figura 2.4 Outro exemplo de Block Diagram do LabVIEW. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . 8

Figura 3.1 Estrutura do WebLab. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . 12

Figura 3.2 Arquitetura Cliente/Servidor Dupla. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 13

Figura 3.3 Diagrama OOHDM do WebLab. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 16

Figura 3.4 Diagrama de Pacotes do WebLab. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 17

Figura 3.5 Diagrama de Classes do WebLab. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . 18

Figura 3.6 Diagrama de Colaboração do Módulo WebLab. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . 19

Figura 3.7 Diagrama de Atividades do Módulo WebLab. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . 20

Figura 3.8 Diagrama de Casos de Uso - Geral. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . 20

Figura 3.9 Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab - Administrador. . . .. . 21

Figura 3.10 Tela utilizada pelo Administrador para incluir a URL dos recursos . . . . 21

Figura 3.11 Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab - Professor. .. . . . . . .. 22

Figura 3.12 Tela Descrição do usuário Professor. .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . 23

Figura 3.13 Tela Agendamento do usuário Professor. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 23

Figura 3.14 Tela Experimento do usuário Professor. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 3.15 Tela Relatório do usuário Professor. . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 24

Figura 3.16 Diagrama de Casos de uso do Módulo WebLab - Aluno .. . . . . . . . . . .. . 25

Figura 3.17 Tela Descrição do usuário Aluno. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . 25

Figura 3.18 Tela Experimento do usuário Aluno. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . 26

Figura 3.19 Tela Relatório do usuário Aluno. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26

Figura 3.20 SubVI para a WebCam. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . 27

Figura 3.21 VI independente para a WebCam. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. 28

Figura 3.22 Aplicação JMF para transmissão de vídeo. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 29

Figura 4.1 Sistema WDM de n-canais. .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . 31

Figura 4.2 Laser DFB . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . 34

Figura 4.3 Modulação Direta . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . 35

Figura 4.4 Modulação Externa . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . 36

Figura 4.5 Formatos de modulação típicas: RZ e NRZ ... . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 36

Figura 4.6 Propagação da luz na ﬁbra óptica . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 37

Figura 4.7 Cortes longitudinais de ﬁbras ópticas .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . 38

Figura 4.8 Modos de propagação em uma ﬁbra óptica . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 39

Figura 4.9 Curva de atenuação em uma ﬁbra óptica . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 41

Figura 4.10 Dispersão Cromática em uma ﬁbra óptica . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . 43

Figura 4.11 EDFA . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 4.12 Níveis de energia no EDFA . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . 46

Figura 4.13 Fotodiodo PIN . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 48

Figura 4.14 Fotodiodo Avalanche. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 49

Figura 4.15 Cavidade Fabry-Perot . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . 50

Figura 4.16 Grade de Bragg (FBG) . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 51

Figura 4.17 Filtro Sintonizável Acusto-Óptico (AOTF) . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 52

Figura 4.18 Grade de Guias de Onda Ordenados (AWG) .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 52

Figura 4.19 Interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 53

Figura 4.20 Filtros de Filme Fino (TFF) . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 54

Figura 4.21 Filtros de Filme Fino integrados para demultiplexar um sinal .. . . . . . . . 54

Figura 4.22 Optical Add/Drop MUX (OADM) . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 55

Figura 4.23 Acoplador 2X2 . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 56

Figura 4.24 Circulador .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . 56

Figura 4.25 Isolador . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 57

Figura 4.26 Sistema WDM e seu parâmetros .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. 58

Figura 4.27 Comprimento de onda de pico . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 59

Figura 4.28 Banda Passante . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . 60

Figura 4.29 Modelo Gaussiano para o ruído . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 63

Figura 4.30 Relação entre Q-factor e BER . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. 65

Figura 4.31 Formação do Diagrama de Olho . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 66

Figura 4.32 Diagrama de Olho obtido com um Osciloscópio . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 66

Figura 4.33 Geração de um Diagrama de Olho . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 67

Figura 5.1 Estrutura do VPI . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 68

Figura 5.2 Parâmetro global - TimeWindow. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70

Figura 5.3 Estrutura do aplicativo em VPI para simulação da Taxa BER. . . . . .. . . 71

Figura 5.4 BER x Potência do Laser (Largura dos lasers de 50 MHz): (a) Taxa de

Bits 1 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c)

Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550

nm. .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 74

Figura 5.5 BER x Potência do Laser (Largura dos lasers de 1 GHz): (a) Taxa de

Bits 1 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c)

Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550

nm. .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 75

Figura 5.6 BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 1 Gbps): (a) Potência de 0,1 mW

/ Canal de 1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência de

0,065 mW / Canal de 1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm. . . . 78

Figura 5.7 BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 10 Gbps): (a) Potência de 0,1

mW / Canal de 1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência

de 0,065 mW / Canal de 1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm. 79

Figura 5.8 BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 50

MHz e Potência dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal

de 1310 nm ; (b) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de

bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal

de 1550 nm. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 82

Figura 5.9 BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 1

GHz e Potência dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal

de 1310 nm ; (b) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de

bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal

de 1550 nm. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 83

Figura 5.10 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz

com atenuações de 0, 3 e 6 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5

e 1 Gbps. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . 85

Figura 5.11 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz

com atenuações de 0, 3 e 6 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e

10 Gbps. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 86

Figura 5.12 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz

com atenuações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de

0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . 87

Figura 5.13 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1GHz

com atenuações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de

2,5, 5 e 10 Gbps. .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 88

Figura 5.14 BER x Comprimento (Largura dos lasers de 50 MHz): (a) Potência 0,05

mW/Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/-

Taxa de Bits de 0,25 a 1,25Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,035 mW/Taxa

de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Potência 0,035 mW/Taxa de Bits

de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 91

Figura 5.15 BER x Comprimento (Largura dos Lasers de 1 GHz): (a) Potência 0,05

mW/Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/-

Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,05 mW/Taxa

de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits

de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 92

Figura 5.16 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz

com comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 94

Figura 5.17 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz

com comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 95

Figura 5.18 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz

com comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 96

Figura 5.19 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz

com comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 97

Figura 5.20 BER x Taxa de Bits (Largura dos lasers de 50 MHz até 1,05 GHz): (a)

Enlace de 50 km / 0,25 mW de Potência / Canal de 1310 nm ; (b) Enlace de 50 km

/ 0,25 mW de Potência / Canal de 1550 nm; (c) Enlace de 10 km / 0,035 mW de

Potência / Canal de 1310 nm; (d) Enlace de 10 km / 0,035 mW de Potência / Canal

de 1550 nm. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 99

Figura 5.21 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 10 km com

larguras do laser de 50 MHz, 0.55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 101

Figura 5.22 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 50 km com

larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 102

Figura 5.23 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 10 km com

larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 103

Figura 5.24 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 50 km com

larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits

(vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 104

Figura 5.25 DDS para simulação do sistema WDM de dois canais. . . . . . . .. . . . . . . 105

Figura 6.1 Diagrama da Montagem Experimental utilizada para a Caracterização

de um Sistema WDM de Dois Canais. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 106

Figura 6.2 Foto da Montagem Experimental utilizada para a Caracterização de um

Sistema WDM de Dois Canais. .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 106

Figura 6.3 Modulação analógica direta da corrente dos lasers com sinais senoidais

LF. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 108

Figura 6.4 Características dos Lasers (Curva L-I). . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .110

Figura 6.5 Espectro do Laser 1310 nm. .. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . ..112

Figura 6.6 Espectro do Laser 1550 nm. .. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . ..112

Figura 6.7 Curva de Ganho e Modos (1310 nm). . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 113

Figura 6.8 Curva de Ganho e Modos (1550 nm). . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 113

Figura 6.9 Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com

∆V = 375 mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . . . . .. . . . . . .. . . 115

Figura 6.10 Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com

∆V = 375 mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . . . . .. . . . . . .. . . 116

Figura 6.11 Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com

f = 150 kHz (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . .. . . . . . . . . . . . . . 117

Figura 6.12 Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com

f = 150 kHz (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . .. . . . . . . . . . . . . . 118

Figura 6.13 Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Laser de 1310 nm (b) Laser de

1550 nm. . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . .119

Figura 6.14 Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1310 nm . . . . . . . . . .. . . .121

Figura 6.15 Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1550 nm . . . . . . . . . .. . . .121

Figura 6.16 Canal de Transmissão de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V =

375 mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . 123

Figura 6.17 Canal de Transmissão de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V =

375 mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . 124

Figura 6.18 Canal de Transmissão de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com f =

150 kHz (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 125

Figura 6.19 Canal de Transmissão de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com f =

150 kHz (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 126

Figura 6.20 Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Canal de 1310 nm (b) Canal de

1550 nm. . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 127

Figura 7.1 Interface para o controle e aquisição de dados do Gerador de Sinais. . 129

Figura 7.2 Sub-VI do Gerador de Sinais. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . 130

Figura 7.3 Interface para o controle da Chave Óptica. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. 131

Figura 7.4 Sub-VI da Chave Óptica. .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . 131

Figura 7.5 Interface para o controle e aquisição de dados do Osciloscópio. . .. . . . 132

Figura 7.6 Sub-VI do Osciloscópio. . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . .133

Figura 7.7 Interface para o controle e aquisição de dados do OSA. . . .. . . . . . .. . . 134

Figura 7.8 Sub-VI do OSA. .. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . 134

Figura 7.9 Guia Análise dos Canais. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 136

Figura 7.10 Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Manual. . . . . . . .. . . . . 137

Figura 7.11 Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Automático. . .. . . . . . 138

Figura 7.12 Arquitetura do Sistema desenvolvido para o WebLab com o software

LabVIEW . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . 139

Figura 7.13 Transições da Estrutura Máquina de Estados implementada para o We-

bLab. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 140

Figura 7.14 Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Pro-

dutor para Consumidor. .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 141

Figura 7.15 Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Con-

sumidor para Produtor. . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 142

Figura 7.16 Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Pro-

dutor para Consumidor (Auto Scale do Osciloscópio). . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 143

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Tipos de variáveis internas do LabVIEW. .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 10

Tabela 2.2 Tipos de interfaces eletrônicas disponíveis para controle de instrumen-

tos. . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 10

Tabela 4.1 Comparativo entre ampliﬁcadores ópticos. ... . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . 47

Tabela 5.1 Parâmetros globais típicos de uma simulação com o VPI. . . . . . . .. . . . 70

Tabela 5.2 Parâmetros da ﬁbra óptica utilizados na simulação. . . . .. . . . . . .. . . . . . 71

Tabela 5.3 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência do

Laser para vários Comprimentos. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 73

Tabela 5.4 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Largura do

Laser para vários Comprimentos. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . 77

Tabela 5.5 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência Re-

cebida (ROP) para várias Taxas de Bits. . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 81

Tabela 5.6 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função do Comprimento

da Fibra para várias Taxas de Bits. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . 90

Tabela 5.7 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Taxa de Bits

para várias Larguras. . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . 98

Tabela 6.1 Parâmetros dos Lasers. .. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 111

Tabela 6.2 Larguras de Banda para os lasers de 1310 nm e 1550 nm. .. . . .. . . . . . 120

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

DAQ Data AcQuisition board.

EAD Educação à Distância.

EDFA Erbium Doped Fiber Ampliﬁer.

FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.

GPIB General Purpose Interface Bus.

GUI Graphic User Interface.

HTTP HyperText Transfer Protocol.

IV-LAB InteractiveVirtual-LAB.

LMS Learning Management System.

MIT Massachussets Institute of Technology.

MOODLE Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment.

NI National Instruments.

ODBC Open DataBase Connectivity.

OSA Optical Spectrum Analyser.

PHP um acrônimo recursivo para "PHP: Hypertext Preprocessor".

RN Resource Name.

RS-232C Recommended Standard 232C.

SNR Signal-to-Noise Ratio.

SOAP Simple Object Access Protocol.

XML Extensible Markup Language.

TIC’s Tecnologias da Informação e Comunicação.

TIDIA Tecnologia da Informação para o Desenvolvimento da Internet Avançda.

USB Universal Serial Bus.

VI Virtual Instruments.

VISA Virtual Instrument Software Architeture.

VMEbus eXtensions for Instrumentation.

VPI Virtual Photonics Instruments.

WDM Wavelength Division Multiplexing.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . .. 1

2 AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS COM O PROGRAMA LABVIEW . ... . .. 5

2.1 LabVIEW: Programa de Instrumentação e Análise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Controle e Aquisição de Dados de Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 ESTRUTURA GERAL DO WEBLAB.. . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . 12

3.1 Arquitetura Cliente / Servidor Dupla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Integração do WebLab a um Ambiente Virtual de Ensino-Aprendizagem . . . . . . . . 14

3.2.1 Atividades e Ações do Módulo WebLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.2 Usuário Administrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2.3 Usuário Professor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.4 Usuário Aluno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2.5 Transmissão de Áudio e Vídeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 SISTEMAS WDM PARA COMUNICAÇÕES ÓPTICAS.. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... 30

4.1 Componentes para Sistemas WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.1.1 Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.1.2 Moduladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1.3 Fibras Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.4 Ampliﬁcadores Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.5 Receptores Ópticos: Fotodetetores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.6 Multiplexadores e Demultiplexadores Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1.7 Acopladores, Circuladores e Isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2 Caracterização de Sistemas WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2.1 Parâmetros Básicos e Especiﬁcações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.2 Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate - BER) e Fator de Qualidade (Q-factor) . . . 62

4.2.3 Diagrama de Olho e Análise das Formas de Onda dos Sinais Ópticos . . . . . . . . 65

5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS CANAISCOM O SOFTWARE

VPI.. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . . 68

5.1 Taxa de Erro de Bit (BER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1.1 BER em função da Potência do Laser para vários Comprimentos . . . . . . . . . . . . 72

5.1.2 BER em função da Largura do Laser para vários Comprimentos . . . . . . . . . . . . 76

5.1.3 BER em função da Potência Recebida para várias Taxas de Bits. . . . . . . . . . . . . 80

5.1.4 BER em função do Comprimento da Fibra para várias Taxas De Bits . . . . . . . . 89

5.1.5 BER em função da Taxa de Bits para várias Larguras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2 Dynamic Data Sheet (DDS) e VPIplayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105

6 EXPERIMENTOPARA CARACTERIZAÇÃO DEUMSISTEMA WDM DEDOIS

CANAIS .. . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . 106

6.1 Descrição da Montagem Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

6.2 Caracterização do Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.2.1 Curvas L-I e Espectros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

6.2.2 Modulação Direta de Corrente com Sinais Senoidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.2.3 Curva de Resposta em Freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.3 Caracterização dos Canais de Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.3.1 Espectros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.3.2 Modulação Direta de Corrente com Sinais Senoidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.3.3 Curva de Resposta em Freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7 INSTRUMENTOS VIRTUAIS .. . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . 128

7.1 Drivers e GUI’s para Controle e Aquisição de Dados dos Instrumentos . . . . . . . . . .128

7.1.1 Gerador de Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.1.2 Chave Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.1.3 Osciloscópio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

7.1.4 Analisador de Espectro Óptico (OSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.2 Interface Gráﬁca de Usuário para Realização do Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7.3 Arquitetura do Sistema Desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139

8 CONCLUSÃO .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . 145

Referências Bibliográﬁcas.. . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . ... . .. . . .. . ... . .. . . 147

1 INTRODUÇÃO

O advento da Internet e o desenvolvimento das Tecnologias de Informação e Comuni-

cação (TIC’s) geraram novos espaços para a comunicação e colaboração entre grupos de pes-

soas localizadas em regiões geograﬁcamente distintas MOECKEL (2000). Nesse cenário, tem

sido desenvolvida uma grande variedade de sistemas baseados na tecnologia Web que integram

ferramentas de groupware e recursos de comunicação síncrona e assíncrona.

No âmbito educacional, uma das características mais importantes da tecnologia Web é

a possibilidade de utilizar recursos de comunicação on-line bidirecional para o desenvolvimento

de atividades de ensino-aprendizagem colaborativas. A comunicação on-line pode ocorrer atra-

vés de interações síncronas (que exigem a conexão simultânea dos participantes) utilizando-se

recursos como chat, áudio-conferência e vídeo-conferência ou interações assíncronas (que não

exigem a conexão simultânea dos participantes) utilizando-se recursos como e-mail, lista de

discussão e fórum virtual.

Esses recursos conectam professores e estudantes fora da sala de aula, eliminando as

barreiras de espaço e tempo presentes no ensino presencial tradicional. Nesse sentido, a Web

passou a incorporar as chamadas Redes de Aprendizagem (Learning Networks) HARASIM et

al. (1995), possibilitando a criação de ambientes colaborativos de ensino-aprendizagem em que

ocorre intensa interação entre alunos e professores no processo de aquisição e construção do

conhecimento (PALLOFF; PRATT, 1999).

As Redes de Aprendizagem podem ser utilizadas basicamente de três modos:

• Modo Auxiliar - Os recursos da tecnologia Web são utilizados como ferramenta opcional,

para apoio e melhoria de cursos presenciais.

• Modo Misto - Os recursos da tecnologia Web são utilizados como parte integrante das

atividades educacionais. É o modo correspondente aos cursos híbridos (parte presencial

e parte a distância).

• Modo Totalmente On-line - Todas as atividades são desenvolvidas à distância. É o modo

correspondente à Educação a Distância (EAD).

Com a utilização crescente das TIC´s para apoiar e complementar as atividades reali-

zadas em sala de aula, as fronteiras entre o ensino presencial e a Educação a Distância (EAD)

têm se tornado cada vez mais indeﬁnidas. Os sistemas educacionais híbridos ou bi-modais, ba-

seados na combinação de atividades presenciais e à distância através de tecnologias interativas

inovadoras, têm sido considerados como os mais promissores para o ensino em todos os níveis.

Uma tecnologia que tem sido explorada recentemente com o objetivo de ampliar os

níveis de interatividade em ambientes virtuais de ensino-aprendizagem resulta da associação

entre a tecnologia Web e a automação de instrumentos por computador. Essa tecnologia tor-

nou possível o desenvolvimento dos chamados Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes

distribuídos que permitem o acesso e controle remoto via Internet de experimentos reais com a

sensação de presença (NEDIC et al., 2003). Vários trabalhos relacionados à automação e con-

trole remoto de experimentos através da Internet têm sido desenvolvidos, muitos com foco em

aplicações educacionais direcionadas a cursos na área de Ciências Exatas (TELELABS PRO-

JECT, 2006).

Entre os laboratórios remotos existentes destacam-se: o MIT Microelectronics Weblab

(ALAMO et al., 2002; HARWARD, 2004; HARDISON et al., 2004) e o iLabs (MIT, 2006), do

Massachussets Institute of Technology (MIT); o laboratório remoto do Departamento de Enge-

nharia Elétrica da Universidade de Cingapura (CHEN et al., 1999); o AIM (Automated Internet

Measurement) (FJELDLY et al., 1999; SHEN et al., 1999); o laboratório remoto do Departa-

mento de Automação e Controle da Universidade de Galati (CHICULITA; FRANGU, 2002); o

laboratório remoto do Instituto de Tecnologia de Lausane (LATCHMAN et al., 1999; GILLET

et al., 2002); o IV-LAB (Interactive Virtual-LAB) da Universidade de Massachusetts, Amherst

(HUA; GANZ, 2003); o laboratório de simulação na área de fotônica do Departamento de Ele-

trônica e Telecomunicações da Universidade de Tecnologia de Kosice (TURÁN; OVSENÍK,

1999).

O trabalho apresentado aqui integra-se às atividades relacionadas à participação do

Laboratório de Fotônica Mackenzie no Projeto KyaTera do Programa TIDIA (Tecnologia da

Informação para o Desenvolvimento da Internet Avançada) da FAPESP. O KyaTera é um pro-

jeto cooperativo cujo objetivo é implantar uma rede de ﬁbras ópticas para pesquisa, desenvolvi-

mento e demonstração de tecnologias para aplicações da Internet Avançada (TIDIA, 2008). Os

laboratórios e grupos de pesquisa participantes estão interconectados através de duas redes:

• Rede Experimental: Rede que interliga todos os laboratórios participantes do KyaTera

por meio de ﬁbras ópticas apagadas que chegam diretamente ao interior dos laboratórios

(Fiber-To-The-Lab), possibilitando a realização de experimentos colaborativos e distri-

buídos de transmissão óptica e de redes sob condições reais.

• Rede Estável: Rede baseada no protocolo Ethernet/IP (oferecendo uma taxa de trans-

missão mínima de 1 Gbps) que interliga todos os laboratórios participantes do KyaTera

atravésde uma malha óptica dedicada de ﬁbras monomodo, cujo objetivo é fornecer servi-

ços para promover a pesquisa colaborativa, tais como videoconferência de alta deﬁnição,

VoIP, acesso à Internet 2, etc.

Neste trabalho foi implementado um WebLab para o estudo das características bási-

cas de um sistema WDM para comunicações ópticas . Foram desenvolvidos drivers e interfaces

gráﬁcas de usuáriocom o softwareLabVIEW para o controle e aquisição de dados de instrumen-

tos utilizados em um experimento remoto de medida das características básicas de um sistema

WDM (Wave Division Multiplexing). Também foi desenvolvido um aplicativo com o software

VPItransmissionMaker que permite simular a medida da Taxa de Erro de Bit do sistema.

A dissertação foi organizada da segunte forma. No Capítulo 2 são apresentadas as

principais características do software LabVIEW e das interfaces eletrônicas para controle e

aquisição de dados de instrumentos utilizadas na automação de experimentos. No Capítulo 3 é

apresentada a estrutura geral dos WebLabs desenvolvidos pelo grupo do Laboratório de Fotô-

nica Mackenzie, a qual inclui um aplicativo para integração dos WebLabs a ambientes virtuais

de ensino-aprendizagem implementados na plataforma MOODLE. Este capítulo inclui também

a descrição de um componente baseado em JMF (Java Media Framework) desenvolvido pelo

grupo para transmissão de áudio e vídeo, que permite avisualização dos experimentos em tempo

real e a realização de vídeo-conferências. No Capítulo 4 são descritas as principais característi-

cas dos sistemas WDM e seus componentes, bem como os parâmetros e técnicas utilizados para

caracterizar sua operação e desempenho. No Capítulo 5 são descritas as principais característi-

cas do software VPItransmissionMaker e são apresentados os resultados obtidos utilizando-se

o mesmo em simulações da medida da Taxa de Erro de Bit (BER) de um sistema WDM de dois

canais (1310 nm e 1550 nm). No Capítulo 6 é descrita a montagem experimental utilizada para

a medida das características básicas de um sistema WDM de dois canais (1310 nm e 1550 nm).

No Capítulo 7 são descritos os Instrumentos Virtuais (VI’s) desenvolvidos com o software Lab-

VIEW para a execução remota do experimento: drivers e interfaces gráﬁcas de usuário (GUI’s)

para controle e aquisição de dados dos instrumentos utilizados. No Capítulo 8 são apresentadas

as conclusões.

2 AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS COM O

PROGRAMA LABVIEW

Neste capítulo são apresentadas as principais características do programa de instru-

mentação e análise LabVIEW da National Instruments (NI) e das interfacesde controle e aquisi-

ção de dados de instrumentos utilizados para a automação e execução de experimentos remotos

através da Internet.

2.1 LabVIEW: Programa de Instrumentação e Análise

O programa LabVIEW da NI, adotado como padrão para os WebLabs do Projeto Kya-

Tera, é um poderoso software de instrumentação e análise, baseado na linguagem de programa-

ção gráﬁca G. Os recursos do LabVIEW são utilizados da mesma forma que em um Dataﬂow

Diagram (Diagrama de Fluxo de Dados) (NI, 2005b), possibilitando maior eﬁciência na au-

tomação em relação a outras linguagens compiladas ou interpretadas disponíveis, tais como

C/C++, Java, Perl entre outras (REGAZZI et al., 2002).

A Figura (2.1) apresenta a visão na forma de um Flowchart (Fluxograma) de lingua-

gens que possuem como ponto central em seu desenvolvimento um conjunto de algoritmos

sequênciais ou paralelos que interagem através de métodos, rotinas e chamadas (NI, 2005b) em

contrapartida ao desenvolvimento orientado a ﬂuxo do LabVIEW .

Figura 2.1: Exemplo de Fluxograma (STEPHEN et al., 2006) e DFD (SANDRILA, 2006).

Dessa forma, o LabVIEW integra de maneira prática em um único sistema, ferramen-

tas capazes de realizar controle de instrumentos, aquisição de dados, análise e apresentação de

resultados. Além disso, o software suporta os principais protocolos de comunicação das dife-

rentes interfaces: RS-232, RS-485, GPIB (IEEE 488), Ethernet, USB (Universal Serial Bus),

VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation), FireWire 400 (IEEE 1394), FireWire 800 (IEEE

1394-B), DAQ (Data AcQuisition board), além de incluir funções de manipulação de referên-

cias VISA (Virtual Instrument Software Architeture) (NI, 2005a; REGAZZI et al., 2002). Os

aplicativos para controle de instrumentos e aquisição de dados do experimento criados com o

LabVIEW são chamados Instrumentos Virtuais (Virtual Instruments - VI’s).

O processo de desenvolvimento de aplicações eﬁcientes com o LabVIEW , sobretudo

quando se tratada automação desistemas mais complexos, deve atender a três princípios básicos

de boas práticas de programação (NI, 2005b):

• Escalável (Scalable) Facilidade para adicionar mais funcionalidades na aplicação sem a

necessidade de se redesenhar completamente a mesma;

• Legível (Readable) Facilidade para ler e compreender o propósito geral do sistema;

• Mantenível (Maintainable) Facilidade para modiﬁcar o código de um primeiro desevol-

vedor ou qualquer outro sem afetar o objetivo do código original.

A interface gráﬁca fornecida pelo software LabVIEW é conhecida como Front Panel,

pois simula a aparência e a operação dos instrumentos reais. O processamento relativo ao Front

Panel é implementada no Diagram Block, onde são conectados (wired) os componentes gráﬁcos

a todas as funcionalidades e processamentos necessários.

Como ilustração, nas Figuras (2.2, 2.3 e 2.4) são mostrados respectivamente o Panel

Frontal e os Diagramas de Blocos de uma aplicação para a ordenação de 10 números utilizando

o algoritmo Bubble Sort (NI, 2006).

Figura 2.2: Exemplo de Front Panel do LabVIEW.

Figura 2.3: Exemplo de Block Diagram do LabVIEW.

Figura 2.4: Outro exemplo de Block Diagram do LabVIEW.

Nesse exemplo, é criada uma estrutura de eventos baseada no User Interface Event

Handler Design Pattern (NI, 2005b). Com esse Design Pattern , a interação entre o usuário

e o LabVIEW torna-se mais ﬂexível. Portanto, à medida que o usuário aciona um dos botões

existentes, um evento interno ao LabVIEW é criado. O loop mantém as ações (1.Generate),

(2.Sort) e (3.Quit) em espera até que um evento de Value Change seja criado.

Podemos inserir outros VI’s dentro de um Diagrama de Blocos através do uso de

SubVI’s. Um SubVI comporta-se como uma função, retornando valores para o Painel Fron-

tal, ou como um procedimento, realizando apenas algum tipo de processamento.

Outra característica importante do Diagrama de Blocos é o tipo de informação que

podemos representar. Os blocos são interligados por "ﬁos"(wires), cujas formas e cores indicam

que tipo de informação será utilizada.

As diferentes formas de um ﬁo típico são:

• Fino - Escalar;

• Grosso - Matriz de uma dimensão;

• Duplo - Matriz de duas dimensões.

Por meio do código de cores, podemos identiﬁcar a que tipo de variável um ﬁo corres-

ponde:

• Azul - Inteiro;

• Laranja - Real (Float Point);

• Rosa - String;

• Verde - Booleana;

• Marrom - Cluster numérico ou forma de onda;

• Verde Escuro - Caminho (Path) ou ponteiro de endereço (Refnum).

Da mesma forma que outras linguagens tipiﬁcadas, como C, C++ ou Java, o LabVIEW

possue seus próprios tipos básicos de variáveis internas Tabela (2.1). Além desses tipos básicos,

um tipo especial encontrado no LabVIEW é o conjunto de dados, (Clusters). No Diagrama de

Blocos, os Clusters formam uma estrutura ou registro que facilita a passagem de parâmetros

entre os blocos. Dessa forma, os Clusters permitem a portabilidade, usabilidade e uma maneira

rápida de se realizar manutenção no código. Nesse sentido, a modelagem das aplicações em

termos de Clusters é altamente recomendada pela NI NI (2005b).

Tipo Tamanho (bits)

Single(SGL) 8

Double(DBL) 16

Extended(EXT) 32

Complex single(CSG) 8

Complex double(CDB) 16

Complex extended(CXT) 32

I8 8

I16 16

I32 32

U8 8

U16 16

U32 32

Tabela 2.1: Tipos de variáveis internas do LabVIEW.

2.2 Controle e Aquisição de Dados de Instrumentos

O controle de instrumentos com o LabVIEW é realizado via portas ou interfaces ele-

trônicas de comunicação. Tipicamente, essas interfaces possuem uma maneira padronizada de

realizar a comunicação entre o computador e os dispositivos. Tal comunicação fornece um pro-

tocolo acessível a cada tipo de aplicação existente. A Tabela (2.2) apresenta uma relação das

principais interfaces utilizadas (REGAZZI et al., 2002).

Interface Formato Disp. Dist. (m) Tx. (bits/s)

RS-232 EIA/TIA-232 assíncrono serial 2 15-30 20K

RS-485 EIA/TIA-485 assíncrono serial 32 1200 10M

IrDA assíncrono serial infrared 2 2 115K

USB(v1.1) assíncrono serial 127 12M

USB(v2.0) assíncrono serial 127 48M

FireWire 400 serial 64 5 400M

FireWire 800 serial 00 100 800M-3200M

IEEE-488.2 GPIB paralelo 15 20 1M

Ethernet serial 1024 110 10M-10M

Paralela IEEE-1284 paralela 2/8 3-10 1M

Spread spectrum

IEEE-802.M serial 112 32000 144K

Tabela 2.2: Tipos de interfaces eletrônicas disponíveis para controle de instrumentos.

Além dos protocolos convencionais de comunicação, existem soluções híbridas dis-

ponibilizadas pela NI, como um cabo GPIB-USB-HS (REGAZZI et al., 2002) que permite

controlar um instrumento com interface GPIB através de uma interface de controle USB. Isso

possibilita uma maior ﬂexibilidade para controlar o instrumento, com taxa de transmissão de

dados entre 1,8 MB/s e 7,2 MB/s.

Uma outra forma de comunicação é a partir de placas DAQ. As placas DAQ’s fornecem

comunicação por meio de sinais analógicos ou digitais em equipamentos que não possuem

conexões de controle como GPIB, USB, etc. Uma placa DAQ pode gerenciar diversos sinais

simultaneamente, sendo cada sinal associado a um canal da placa.

3 ESTRUTURA GERAL DO WEBLAB

Os principais requisitos para um laboratório remoto podem ser agrupados em quatro

elementos essenciais: equipamento, interface de controle do servidor, ambiente e software cli-

ente CHICULITA e FRANGU (2002). Na Figura (3.1) é mostrada a estrutura básica do sistema

desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie para a implementação de WebLabs (JU-

NIOR., 2006; FILHO, 2007; SZPIGEL et al., 2007b, 2006b, 2006a, 2007a, 2007), baseada em

um ambiente distribuído que permite a automação local dos instrumentos e o acesso e controle

remoto de experimentos através da Internet em tempo real e com sensação de presença.

Figura 3.1: Estrutura do WebLab.

Para a automação do experimento, os instrumentos são conectados a um computador

localizado no laboratório, denominado Servidor Local. A conexão é feita por meio de cabos

e placas de interface GPIB (General Purpose Interface Bus), USB ou Ethernet, variando de

acordo com o equipamento. O controle e a aquisição de dados dos instrumentos são implemen-

tados através de drivers desenvolvidos com o programa de instrumentação e análise LabVIEW,

instalado no Servidor Local.

Um computador denominado Servidor Web, responsável pelo acesso e controle remoto

do experimento via Internet, é o intermediário entre o Cliente e o Servidor Local, possibilitando

gerenciamento do acesso dos usuários ao experimento. Um dispositivo de interconexão de redes

(Hub/Switch) é utilizado para conectar o Servidor Local ao Servidor Web, bem como a estações

locais que podem ser eventualmente utilizadas para a monitoração do sistema.

Completando o sistema desenvolvido, utiliza-se uma câmera digital (WebCam) conec-

tada ao Servidor Local para a transmissão de áudio e vídeo à GUI (Graphical User Interface),

permitindo a visualização em tempo real dos instrumentos e a comunicação on-line entre os

usuários através de vídeo-conferência.

3.1 Arquitetura Cliente / Servidor Dupla

O controle remoto do experimento é implementado utilizando-se uma arquitetura Cli-

ente/Servidor dupla (CHEN et al., 1999), representada na Figura (3.2), envolvendo aplicativos

de interface que possibilitam a comunicação entre o Servidor Local e o Servidor Web e entre

este e os computadores clientes.

Figura 3.2: Arquitetura Cliente/Servidor Dupla.

Nessa arquitetura, a comunicação entre os computadores Clientes e o Servidor Local

que controla os instrumentos do experimento é mediada pelo Servidor Web, via um conjunto de

aplicativos e programas de interface, denominado Middleware.

Para controlar remotamente o experimento, os usuários utilizam uma Interface Gráﬁca

de Usuário (GUI) executada em uma página Web acessada através do navegador (Browser). Para

a execução do VI nos computadores Clientes é necessária a instalação do aplicativo LabVIEW

Runtime Engine. Essa GUI também pode ser implementada utilizando-se aplicativos baseados

na tecnologia Web (Active-X, CGI (Common Gateway Interface), Java e AJAX, entre outras).

3.2 Integração do WebLab a um Ambiente Virtual de Ensino-

Aprendizagem

Os ambientes virtuais de ensino-aprendizagem consistem basicamente de um Sistema

de Gerenciamento de Aprendizagem (Learning Management System - LMS) ou Sistema de Ge-

renciamento de Cursos (Course Management System - CMS) ao qual são incorporados materiais

didáticos e aplicativos hipermídia interativos. O Sistema de Gerenciamento é um conjunto in-

tegrado de programas para a autenticação e gerenciamento de usuários, recursos para autoria

e gerenciamento de conteúdos hipermídia, ferramentas de comunicação on-line e instrumentos

para acompanhamento e avaliação das atividades.

No sistema desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie, os WebLabs são inte-

grados a um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado com o software MOODLE

(MOODLE, 2005), viabilizando a sua utilização no contexto de cursos on-line ou em atividades

de apoio a cursos presenciais. O MOODLE é um CMS desenvolvido colaborativamente por

uma comunidade virtual e distribuído gratuitamente sob os termos do GNU Public License. É

baseado em PHP, multiplataforma, e possui bancos de dados abertos como camada de persistên-

cia, entre eles PostgreSQL e MySQL. Uma das principais razões para a escolha do MOODLE é

que sua estrutura modular e ﬂexível permite que o desenvolvimento e integração de novos apli-

cativos sejam realizados de forma bastante simples. Além disso, o sistema foi projetado para

suportar uma abordagem pedagógica social-construtivista (DOUGIAMAS; TAYLOR, 2003),

constituindo uma plataforma eﬁciente para o desenvolvimento de atividades de aprendizagem

colaborativa.

A integração do WebLab ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem é implemen-

tada através de um novo módulo de atividades adicionado ao ambiente MOODLE, denominado

Módulo WebLab, desenvolvido pelo grupo do Laboratório e Fotônica Mackenzie utilizando-se

scripts PHP e componentes do próprio ambiente MOODLE (JUNIOR., 2006; FILHO, 2007).

Seguindo o padrão do MOODLE, as funcionalidades do Módulo WebLab são executadas de

forma diferenciada por três tipos de usuários: Administrador, Professor e Aluno. A estrutura

desse módulo é representada pelo diagrama OOHDM (Object-Oriented Hypermedia Design

Method), Diagrama de Pacotes e Diagrama de Classes exibidos respectivamente nas Figuras

(3.3, 3.4 e 3.5).

Na Figura (3.3) são apresentadas as respectivas associações dinâmicas entre os eventos

disparados pelo usuário e a função executada pelo módulo. Essa estrutura de eventos mostra

como o Módulo WebLab foi organizado de forma que o usuário tenha um conjunto de objetos

necessários para a sua orientação e controle espacial no módulo.

Com o objetivo de fornecer uma melhor visualização da implantação do sistema, a

Figura (3.4) mostra a utilização do MOODLE como um sistema com 3 camadas (Moodlelib,

Weblib e Datalib). Tais camadas formam as bases para uma possível adoção do modelo MVC

(Model View Controller), permitindo assim uma melhor abordagem para o desenvolvimento

bem como a descentralização de recursos especíﬁcos. A Figura (3.5) apresenta o relaciona-

mento adotado para o Módulo WebLab. Para sua implementação, foi utilizado o padrão Bridge

(GAMMA et al., 2000). Assim, consegue-se via a classe WebLabBase a representação bá-

sica para a apresentação dos diversos tipos de visualizações. Dependendo do tipo de seleção

do usuário, as classes WebLabSlots, WebLabConﬁg, WebLabExperiment e WebLabReport são

instanciadas e vinculadas ao tipo atual de visualização.

Figura 3.3: Diagrama OOHDM do WebLab.

Figura 3.4: Diagrama de Pacotes do WebLab.

Figura 3.5: Diagrama de Classes do WebLab.

Em tal esquema, optou-se por manter a associação entre as classes especializadas den-

tro do arquivo view.php. Essa associação pode ser melhor observada através de um diagrama de

colaboração apresentado na Figura (3.6).

Figura 3.6: Diagrama de Colaboração do Módulo WebLab.

Como mostrado acima, a base para a troca de mensagens entre as classes é a classe

view. A classe view realiza a instanciação da visualização escolhida pelo usuário. Além disso

a classe também pode realizar a operação save_state para registrar uma sessão/estado atual

do Módulo WebLab. O trecho de código mostrado abaixo mostra que para um parâmetro

desejado (formode), a importação da classe ocorre (Linha 1). Os tipos permitidos são con-

ﬁg,experiment,report e slots. Na (Linha 2) ocorre a associação com o tipo especiﬁcado e na

(Linha 4) é criado o objeto weblabinstance. As Linhas (5-8) registram/visualizam a sessão.

1 require_once ( ) ;

2 $weblabclass = ;

3 $weblab−>formode=$formode ;

4 $weblabinstance = new $weblabclass ($cm−>id , $weblab , $cm , $course ) ;

5 i f ( $weblabinstance −>s a v e _ s t a t e ( ) )

6 $weblabinstance −>view ( ) ;

7 else

8 err o r ( ) ;

3.2.1 Atividades e Ações do Módulo WebLab

Com o objetivo de gerenciar o experimento para três tipos diferentes de usuários, o

Módulo WebLab desenvolvido possui três ações principais: Adicionar Módulo, Conﬁgurar Ex-

perimento e Realizar Experimento. A Figura (3.7) apresenta as principais atividades de cada

usuário do MOODLE.

Figura 3.7: Diagrama de Atividades do Módulo WebLab.

A Figura (3.8) mostra as principais ações de cada usuário.

Figura 3.8: Diagrama de Casos de Uso - Geral.

3.2.2 Usuário Administrador

O usuário Administrador é o responsável pela ativação do Módulo WebLab no ambi-

ente MOODLE. Sua função principal é cadastrar os experimentos remotos e outros recursos

utilizados. As ações do Aministrador são mostradas no Diagrama de Caso de Uso da Figura

(3.9) e a Figura (3.10) mostra a tela utilizada para executar essas ações.

Figura 3.9: Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab - Administrador.

Figura 3.10: Tela utilizada pelo Administrador para incluir a URL dos recursos

A ação de ativação do WebLab deﬁne a disponibilidade do Módulo WebLab dentro

do ambiente MOODLE. O Administrador deve ativar o módulo para que o usuário Professor

possa criar uma atividade vinculada ao mesmo. Além disso, o Administrador é o responsável

por cadastrar e conﬁgurar cada experimento remoto dentro do módulo, deﬁnindo um nome,

endereço IP do VI do WebLab e da WebCam.

3.2.3 Usuário Professor

O usuário Professor é o responsável pela criação, conﬁguração e gerenciamento de

atividades envolvendo o uso do WebLab.

Figura 3.11: Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab - Professor.

Ao inserir uma nova atividade, o Professor deverá conﬁgurar as características da

mesma: nome, sumário, descrição e objetivos. Também é possível anexar um arquivo ele-

trônico contendo, por exemplo, um tutorial com uma descrição detalhada da atividade ou um

roteiro para realização do experimento. Essas ações são mostradas no Diagrama de Casos de

Uso da Figura (3.11) e na Figura (3.12) é mostrada a tela Descrição carregada após sua seleção.

Figura 3.12: Tela Descrição do usuário Professor.

O Professor também deverá criar os slots de execução do experimento, possibilitando

que cada aluno reserve um horário para fazer as suas medidas. A Figura (3.13) mostra a tela

Agendamento, nela o Professor conﬁgura os slots de execução.

Figura 3.13: Tela Agendamento do usuário Professor.

O Professor também seleciona o experimento que será executado na atividade a partir

de uma lista de experimentos cadastrados previamente pelo Administrador (Figura 3.14).

Figura 3.14: Tela Experimento do usuário Professor.

Caso o experimento possua uma Webcam associada, o Professor poderá deﬁnir se de-

seja disponibilizá-la durante a realização do experimento ou não.

Na última etapa, o Professor realiza a conﬁguração para o envio de um relatório de

execução do experimento pelos alunos, indicando uma data e horário inicial, bem como uma

data e horário ﬁnal (Figura 3.15).

Figura 3.15: Tela Relatório do usuário Professor.

3.2.4 Usuário Aluno

O Aluno é um usuário que acessa a atividade do WebLab. As ações do usuário Aluno

são mostradas no Diagrama de Casos de Uso da Figura (3.16). Quando o Aluno efetua o log-in,

é apresentada uma tela com a descrição da atividade, conforme mostra a Figura (3.17).

Figura 3.16: Diagrama de Casos de uso do Módulo WebLab - Aluno

Figura 3.17: Tela Descrição do usuário Aluno.

Posteriormente, o Aluno reserva um slot de execução de experimento. Na data e horá-

rio correspondentes ao slot reservado, o Aluno poderá acessar os VI´s e controlar remotamente

o experimento. Após o agendamento, os links Experimento e Webcam estarão ativos apenas

durante o período correspondente ao slot reservado (Figura 3.18).

Figura 3.18: Tela Experimento do usuário Aluno.

Após a execução do experimento, o Aluno poderá elaborar o relatório de atividades e

submetê-lo ao professor (Figura 3.19).

Figura 3.19: Tela Relatório do usuário Aluno.

3.2.5 Transmissão de Áudio e Vídeo

Na primeira versão do sistema desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie

para WebLabs, a transmissão de vídeo para o monitoramento dos experimentos remotos foi

implementada através de um aplicativo desenvolvido em LabVIEW , utilizado-se um driver

genérico para comunicação através de interface USB da Logitech (TREVELYAN, 2004). Na

Figura (3.20) é mostrado o SubVI desenvolvido para a WebCam.

Figura 3.20: SubVI para a WebCam.

Inicialmente, é feita a abertura do streaming de vídeo através do SubVI INIT da Web-

cam, deﬁnindo o tamanho da janela em pixels (largura = 320 e altura = 240). Posteriormente,

é deﬁnido o modo de operação da WebCamatravés do SubVI GRAB, o qual indica que será

capturada uma imagem da mesma. Em seguida, a imagem é capturada pela SubVI PICTURE e

a imagem é apresentada no VI da WebCam.

Para disponibilizar um aplicativo desenvolvido em LabVIEW na Internet, utiliza-se o

recurso Web Publish do LabVIEW . Uma das características dessa publicação, é que o servidor

Web do LabVIEW analisa a conexão existente entre o servidor e o cliente, adaptando a taxa

de atualização da interface no computador do usuário com a ﬁnalidade de não sobrecarregar a

conexão.

No aspecto relacionado à QoS (Quality of Service), veriﬁca-se que, devido a essa ca-

racterística, a utilização de um monitoramento através de vídeo em LabVIEW não é uma so-

lução ideal, uma vez que, para não comprometer a conexão do usuário com o experimento, o

servidor Web do LabVIEW diminui a taxa de atualização do vídeo. Uma primeira solução en-

contrada para esse problema foi desvincular a interface de vídeo da interface do experimento,

obtendo uma solução que depende de dois aplicativos distintos. Na Figura (3.21) é mostrada

uma imagem do VI utilizado para transmissão de vídeo dessa forma.

Figura 3.21: VI independente para a WebCam.

Com o objetivo de melhorar QoS, posteriormente foi implementada uma outra solução

para a transmissão de vídeo, utilizando uma aplicação baseada no framework JMF (Java Media

Framework) adaptativo para o ambiente MOODLE (ANTONIO et al., 2005; FILHO, 2007). O

JMF é uma API que fornece grande versatilidade para manipular mídias com base no tempo,

como áudio e vídeo, e assim integrá-las nas aplicações Java (SCHULZRINNE et al., 1998).

Além disso, ela uniﬁca o processamento da mídia com a arquitetura de transmissão de mensa-

gens utilizando protocolos que controlam o acesso, o processamento e a entrega, em tempo, da

mídia.

Além da transmissão, o JMF suporta a captura e o armazenamento de áudio e vídeo,

bem como o controle do tipo da mídia que está sendo apresentada/capturada. Muitos padrões

de mídias são suportados por este framework, como por exemplo AIFF, AU, AVI, MPEG, WAV,

entre outros. Na Figura (3.22) é mostrada uma imagem da aplicação JMF desenvolvida para a

transmissão de vídeo.

Figura 3.22: Aplicação JMF para transmissão de vídeo.

4 SISTEMAS WDM PARA COMUNICAÇÕES

ÓPTICAS

O crescimento exponencial do tráfego nas redes de comunicação, devido principal-

mente à expansão dos serviços da Internet, tem gerado a demanda por sistemas de comunicação

com alta capacidade de transmissão através de distâncias cada vez maiores (LOPES, 2006).

Para atender tal demanda, uma grande variedade de tecnologias de comunicação óp-

tica tem sido desenvolvida, tais como a Multiplexação Óptica por Divisão de Tempo (Optical

Time Division Multiplexing - OTDM) e a Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda

(Wavelenght Division Multiplexing - WDM), possibilitando superar as limitações de velocidade

de transmissão e largura de banda impostas por dispositivos eletrônicos (RAMASWAMI; SI-

VARAJAN, 2002). Outras tecnologias que têm impulsionado o desenvolvimento de sistemas

de comunicação óptica que operam a taxas de bit e potências de transmissão cada vez mais

altas são os lasers sintonizáveis e os ampliﬁcadores ópticos, como os de ﬁbra dopada com Érbio

(Erbium-Doped Fiber Ampliﬁer - EDFA).

A multiplexação WDM é uma das alternativas tecnológicas mais amplamente empre-

gadas para incrementar a capacidade de transmissão dos sistemas de comunicação óptica (RA-

MASWAMI; SIVARAJAN, 2002). Diferentemente dos sistemas OTDM, nos quais os sinais

correspondentes aos vários canais de dados são multiplexados no domínio do tempo e trans-

mitidos através da modulação de uma única fonte óptica (ou canal óptico), os sistemas WDM

utilizam a multiplexação de vários comprimentos de onda, cada um transmitindo o sinal de um

determinado canal através da ﬁbra óptica. Dessa forma, os sistemas WDM fornecem o equiva-

lente a múltiplas linhas de transmissão em uma única ﬁbra óptica, através do envio simultâneo

de sinais independentes em diferentes comprimentos de onda. Quando o espaçamento entre os

comprimentos de onda é pequeno (∼0,8nm) o sistema é chamado DWDM (Dense Wavelenght

Division Multiplexing), comportando um número maior de canais. Quando o espaçamento é

grande (∼ 20nm) o sistema é chamado CWDM (Coarse Wavelenght Division Multiplexing),

comportando um número menor de canais. Nesses sistemas de comunicação, o tipo e modelo

de protocolo utilizados em enlaces (Ethernet, SONET/SDH ou ATM) são considerados como

elementos de baixo nível, permitindo assim uma melhor abstração e independência entre os

protocolos do nível óptico utilizado (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 2002).

Na Figura (4.1) é apresentada a estrutura básica de um sistema WDM de n-canais.

Figura 4.1: Sistema WDM de n-canais.

Na entrada, os sinais ópticos gerados por lasers de diferentes comprimentos de onda

(λ

,λ

.. .λ

) são modulados pelas fontes de informação correspondentes a cada canal de trans-

missão. Esses sinais ópticos modulados são, então, multiplexados no domínio da freqüência

ou do comprimento de onda por meio de um dispositivo multiplexador (MUX) e transmitidos

simultaneamente através do enlace de ﬁbra óptica, mantendo-se as características físicas de

cada componente. Na saída, os sinais ópticos são separados por meio de um dispositivo de-

multiplexador (DEMUX) e recebidos por fotodetetores, recuperando-se, assim, as informações

transmitidas por cada canal.

No que se segue, será apresentada uma descrição mais detalhada dos componentes

de um sistema WDM, bem como dos parâmetros e técnicas utilizados para caracterizar sua

operação e desempenho(ANTONY; GUMASTE, 2002; ALWAYN, 2004; AGRAWAL, 2001).

4.1 Componentes para Sistemas WDM

Os principais componentes de um sistema WDM são:

• Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers

• Moduladores

• Fibras Ópticas

• Ampliﬁcadores Ópticos

• Receptores Ópticos: Fotodetetores

• Multiplexadores e Demultiplexadores

• Acopladores, Circuladores e Isoladores

4.1.1 Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers

Os transmissores ópticos são os componentes do sistema de comunicação óptica res-

ponsáveis por converter os sinais elétricos correspondentes aos canais em sinais ópticos que

serão acoplados à ﬁbra óptica. As características das fontes ópticas utilizadas em sistemas

de comunicação óptica constituem um aspecto importante a ser considerado, sendo frequente-

mente um fator limitante com relação à performance dos enlaces ópticos. De modo geral, esses

componentes devem ser compactos, monocromáticos (pequena largura espectral), estáveis e

duráveis.

Existem dois tipos básicos de fontes ópticas utilizadas em sistemas de comunicação

óptica: os Diodos Emissores de Luz (Light-Emition Diodes - LED’s) e os Lasers (Light Ampli-

ﬁcation by Stimulated Emission of Radiation).

Os LED’s consistem em junções p-n polarizadas diretamente que geram luz por emis-

são espontânea e suas principais características são: emissão incoerente com elevada largura

espectral (entre 30 nm e 60 nm), baixa capacidade de modulação (freqüência máxima de modu-

lação típica de 100 MHz), resposta lenta e divergência angular elevada que gera diﬁculdade para

acoplamento em ﬁbras ópticas (eﬁciência de acoplamento máxima de 1 %). Geralmente são uti-

lizados em links de comunicação que usam ﬁbra multimodo e operam a taxas de transmissão

menores que 10 Gbps.

Os Lasers são dispositivos que geram luz através de um mecanismo denominado inver-

são de população. Suas principais características são: emissão coerente com pequena largura

espectral (menor que 1 nm), alta potência, pequena divergência angular que permite melhor

acoplamento em ﬁbras ópticas (eﬁciência de acoplamento máxima entre 30 % e 50 %) e me-

lhor tempo de resposta (tunability) em altas freqüências (até 40 GHz). Nesse sentido, são mais

adequados para aplicação em links de longa distância e que utilizam ﬁbras monomodo, prin-

cipalmente os sistemas WDM. Os Lasers utilizados em sistemas de comunicação óptica são

basicamente de dois tipos: os Lasers de Fibra Óptica e os Lasers de Semicondutor (Diodos

Laser), sendo estes últimos os mais utilizados.

O funcionamento dos Lasers de Semicondutor é baseado nas propriedades ópticas das

junções p-n. Quando uma corrente elétrica atravessa a junção p-n, elétrons livres absorvem

quanta de energia E, sofrendo transição do estado fundamental para um estado excitado. Após

um certo intervalo de tempo, esses elétrons excitados voltam ao estado fundamental, emitindo

a energia absorvida na forma de fótons de energia E = hν, onde h é a constante de Planck e

ν é a frequência da radiação emitida. Essa oscilação aleatória de elétrons, passando do nível

de energia fundamental para um nível excitado com a emissão subsequente de radiação, é cha-

mada Emissão Espontânea, no sentido de que os fótons emitidos apresentam uma distribuição

aleatória de fase e freqüência. A radiação produzida por Emissão Espontânea não é adequada

para sistemas de comunicação óptica, uma vez que apresenta baixa potência e espectro largo.

Quando os elétrons em estados excitados interagem com fótons externos, decaem do

estado excitado para o estado fundamental, emitindo fótons com a mesma freqüência e fase

dos fótons externos. Esse tipo de emissão é chamado Emissão Estimulada, uma vez que a

transição do nível excitado para o nível mais baixo é provocada pelo fóton externo. Para manter

a Emissão Estimulada, é necessário estabelecer uma inversão de população, na qual o número

de elétrons no estado excitado é maior do que o número de elétrons no estado fundamental. Se

não houver inversão de população, a Emissão Espontânea ocorrerá predominantemente. Uma

forma possível de obter inversão de população é através de processos de bombeio envolvendo

múltiplos níveis de energia. O ponto de transição, no qual a Emissão Estimulada passa a ser

dominate, é chamado limiar de laser (laser threshold).

Uma vez estabelecida a inversão de população, o sistema apresenta um ganho óptico

devido à interação de fótons com os elétrons excitados. Colocando a junção p-n dentro de uma

cavidade que consiste em paredes reﬂetoras, um processo de realimentação óptica é estabele-

cido. Esse processo ampliﬁca o sinal óptico exponencialmente, gerando um feixe de radiação

laser de alta potência em uma determinada freqüência controlada.

Existem vários tipos de Lasers de Semicondutor que são utilizados em sistemas de

comunicação óptica, tais como Distributed Feedback Lasers (DFB), Distributed Bragg Reﬂec-

tor Lasers (DBR), Fabry-Perot Lasers (FP), Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL),

além de lasers sintonizáveis (mecanicamente ou por controle de temperatura) que fornecem

comprimentos de onda dentro de um dado intervalo. Na Figura (4.2) (ANTONY; GUMASTE,

2002) é mostrado o esquema de um laser DFB.

Figura 4.2: Laser DFB (ANTONY; GUMASTE, 2002).

4.1.2 Moduladores

A modulação em sistemas de comunicação pode ser deﬁnida como sendo a sobreposi-

ção de um ﬂuxo de dados sobre a portadora do sinal, através da alteração de um dos parâmetros

da portadora com respeito à mudança no ﬂuxo de dados. O objetivo da modulação é permitir o

transporte dos dados de forma eﬁciente e com um mínimo de erros.

Em sistemas de comunicação óptica, os dados são modulados sobre o sinal óptico

gerado por um Laser Diodo, fazendo-se com que a potência óptica (ou a fase) dependa da

seqüência binária do ﬂuxo de dados. Duas técnicas são geralmente empregadas para realizar a

modulação: Modulação Direta e Modulação Externa.

Na Modulação Direta Figura (4.3) (ANTONY; GUMASTE, 2002), a corrente forne-

cida pelo driver do laser varia de acordo com o ﬂuxo de dados. Isso faz com que a potência

óptica de saída seja proporcional ao ﬂuxo de dados binários, produzindo uma série de pulsos

ópticos isomorfos que são então acoplados à ﬁbra óptica. A Modulação Direta apresenta várias

desvantagens e limitações a altas taxas de transmissão de dados (maiores que 2.5 Gbps) e lon-

gas distâncias, devido ao excesso de chirp (variação da freqüência do sinal óptico com o tempo

devida à instabilidade do laser) e efeitos não-lineares - especialmente Auto-Modulação de Fase

(Self-Phase Modulation - SPM).

Figura 4.3: Modulação Direta (ANTONY; GUMASTE, 2002).

Na Modulação Externa Figura (4.4) (ANTONY; GUMASTE, 2002), a potência de

saída do laser é geralmente modulada em uma cavidade externa. A Modulação Externa evita

os efeitos não-lineares e o excesso de chirp. Cavidades Fabry-Perot(FP) ou Interferômetros de

Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometers- MZI’s) são bons candidatos para esse tipo de

aplicação.

Figura 4.4: Modulação Externa (ANTONY; GUMASTE, 2002).

A modulação em sistemas de comunicação óptica é tipicamente implementada através

de chaveamento ON/OFF (On-Off Keying - OOK) da fonte óptica. O ﬂuxo de dados aparece

como uma sequência de pulsos, com um nível de potência máximo representando um sinal

lógico 1 e um nível de potência mínimo representando o sinal lógico 0. O problema dessa

técnica é o tempo necessário para chavear o laser entre os níveis de potência. Existem dois

formatos de OOK (Figura 4.5) (ANTONY; GUMASTE, 2002): return to zero (RZ) e Non-

Return to Zero (NRZ).

Figura 4.5: Formatos de modulação típicas: RZ e NRZ (ANTONY; GUMASTE, 2002).

No formato RZ, o nível de potência para o bit 1 retorna a zero na metade do período

do pulso, enquanto para o bit 0 o nível de potência é mantido constantemente igual a zero. No

formato NRZ, por outro lado, os níveis de potência correspondentes aos bits 1 e 0 são mantidos

respectivamente no máximo e mínimo durante seus períodos completos. A vantagem do NRZ

é que ocupa a metade da largura de banda do RZ, sendo o formato preferido para sistemas

WDM. No entanto, longos períodos de bits 1 resultam em um bloco de alta potência, criando

diﬁculdades para o receptor decodiﬁcar o sinal e gerando efeitos não-lineares indesejáveis.

4.1.3 Fibras Ópticas

As ﬁbras ópticas são os componentes responsáveis pela transmissão dos sinais ópticos

que carregam as informações, fornecidos pelos LED’s ou Diodos Laser.

As ﬁbras ópticas são guias de onda cilíndricos compostos por um ﬁno núcleo de sílica

envolto por uma casca com índice de refração ligeiramente menor que o núcleo. Além do

núcleo e da casca, a ﬁbra possue um revestimento para proteção contra impactos. Essa estrutura

possibilita o conﬁnamento e propagação do feixe óptico no núcleo através do efeito de reﬂexão

interna total (Figura 4.6) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Figura 4.6: Propagação da luz na ﬁbra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

O ângulo crítico de reﬂexão total é dado por

= ArcCos(n

), (4.1)

onde n

e n

são respectivamente os índices de refração no núcleo e da casca.

Outro parâmetro que caracteriza uma ﬁbra é a variação do índice de refração entre o

núcleo e a casca, dado por:

δ =

−n

. (4.2)

Na Figura (4.7) (ANTONY; GUMASTE, 2002) são mostradas representações esque-

máticas dos cortes longitudinais de ﬁbras ópticas com perﬁl de índice degrau e gradual.

Figura 4.7: Cortes longitudinais de ﬁbras ópticas (ANTONY; GUMASTE, 2002).

Existem duas categorias gerais de ﬁbras ópticas utilizadas em sistemas de comunicação

óptica: Fibras Monomodo e Fibras Multimodo. Nas ﬁbras multimodo, vários modos podem se

propagar simultaneamente, enquanto nas ﬁbras monomodo apenas um modo de propagação é

permitido (Figura 4.8) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Figura 4.8: Modos de propagação em uma ﬁbra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Os modos de propagação em uma ﬁbra óptica são obtidos através da solução das Equa-

ções de Onda de Maxwell para os campos elétrico e magnético em um guia de ondas cilíndrico.

A partir dessa solução, obtém-se a frequência normalizada, V (ou parâmetro V), que deﬁne o

número de modos suportados pela ﬁbra. A Equação (4.3) apresenta esse resultado:

V =

2π

a(n

−n

)

. (4.3)

Na Equação (4.3), a é o raio do núcleo, n

e n

são respectivamente os índices de

refração no núcleo e da casca e λ é o comprimento de onda da luz acoplada na ﬁbra.

Quanto maior o valor de V, maior o número de modos suportados pela ﬁbra. Para

V < 2, 405 a ﬁbra será monomodo. O principal fator que deﬁne o valor de V é o raio do núcleo,

a. Para λ = 1550nm, o raio do núcleo das ﬁbras monomodo varia entre 2 e 4 µm e o das ﬁbras

multimodo entre 25 e 30 µm. O raio da casca, b, geralmente varia entre 50 e 60 µm para ambas

as ﬁbras.

Perdas nas Fibras Ópticas

Vários efeitos podem afetar a propagação daluz em ﬁbras ópticas, degradando os sinais

ópticos e limitando as distâncias de transmissão. Esses efeitos dependem de vários fatores,

particularmente das características da ﬁbra óptica, e podem ser agrupados em três categorias

básicas: Atenuação, Dispersão e Não-linearidades.

• Atenuação

A atenuação em ﬁbras ópticas corresponde à perda de potência do sinal óptico à medida

que se propaga na ﬁbra e é causada por fatores intrínsecos, como espalhamento Rayleigh

e absorção por impurezas ou imperfeições no vidro durante a fabricação, e fatores ex-

trínsecos, como tensões e deformações causadas por forças externas (microbending ou

macrobending).

Os principais fatores que determinam a atenuação em uma ﬁbra óptica são o comprimento

da ﬁbra e o comprimento de onda da luz. A atenuação em uma ﬁbra é medida em termos

do coeﬁciente de atenuação, dado por:

Γ =

−10

[log(

out

)](dBm/Km), (4.4)

onde P

out

e P

são respectivamente as potências de entrada e saída em watts (W) e z é

o comprimento da ﬁbra. Em termos das potências em dB, o coeﬁciente de atenuação é

dado por

Γ =

−P

out

. (4.5)

A Figura (4.9) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de atenuação típica.

Figura 4.9: Curva de atenuação em uma ﬁbra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Os processos de fabricação de ﬁbras ópticas evoluíram bastante. Com a redução dos

picos de absorção por íons, de modo a obter um espectro de absorção mais plano, tornou-

se possível a exploração de uma faixa de comprimentos de onda bem mais extensa. Os

sistemas de comunicação óptica WDM operam atualmente em quatro janelas ou bandas,

onde a atenuação é menor:

- Banda S (Short wavelenght): 1460 - 1530 nm.

- Banda C (Conventional): 1530 - 1565 nm.

- Banda L (Long wavelenght): 1565 - 1625 nm.

- Banda U (Ultralong wavelenght): 1625 - 1675 nm.

• Dispersão

A dispersão corresponde ao alargamento dos pulsos ópticos à medida que se propagam

na ﬁbra. Esse alargamento resulta em distorção do sinal, limitando a largura de banda da

ﬁbra. Dois tipos de dispersão geralmente afetam os sistemas WDM: Dispersão Cromática

e Dispersão dos Modos de Polarização (Polarization Mode Dispersion - PMD).

A Dispersão Cromática ocorre devido às diferenças de velocidade de propagação na ﬁbra

entre as componentes espectrais do pulso. Esse efeito é chamado Dispersão da Velocidade

de Grupo (Group Velocity Dispersion - GVD) e aumenta com o quadrado da taxa de bits.

Em ﬁbras monomodo, a Dispersão Cromática tem duas componentes: Dispersão Material

e Dispersão do Guia de Onda.

A Dispersão Material ocorre quando diferentes comprimentos de onda propagam-se a

diferentes velocidades, chegando ao ﬁnal da ﬁbra em instantes diferentes. Isso resulta em

um alargamento do pulso.

A Dispersão do Guia de Onda ocorre devido à diferença de índice de refração entre o

núcleo e a casca. Essa diferença resulta em um índice de refração efetivo que varia com

o comprimento de onda. Componentes de pequeno comprimento de onda permanecem

conﬁnadas no núcleo, de modo que o índice de refração efetivo é muito próximo do índice

de refração do núcleo. Componentes de comprimento de onda intemediários penetram

ligeiramente na casca, de modo que o índice de refração efetivo diminue. Componentes

de comprimento de onda grande penetram bastante na casca, de modo que o índice de

refração efetivo é muito próximo do índice de refração da casca. Esse efeito introduz

um atraso na propagação das componentes de comprimento de onda maior em relação às

componentes de comprimento de onda menor.

A Figura (4.10) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de dispersão cromática

típica.

Figura 4.10: Dispersão Cromática em uma ﬁbra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

A PMD, importante a taxas de bit maiores que 5 Gbps, ocorre devido a assimetrias na

geometria cilíndrica da ﬁbra resultantes do processo de fabricação, que introduzem pe-

quenas diferenças entre os índices de refração de diferentes componentes de polarização.

Devido a esse efeito, chamado Birrefringência, diferentes componentes de polarização

propagam-se com velocidades diferentes, resultando em um alargamento do pulso óptico.

• Não-linearidades

Os principais efeitos não-lineares em ﬁbras ópticas são devidos ao índice de refração

não-linear e podem ser divididos em duas categorias principais. A primeira categoria in-

clui dois efeitos não-lineares relacionados à interação da luz com fônons: Espalhamento

Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering - SRS) e Espalhamento Brillouin Es-

timulado (Stimulated Brillouin Scattering - SBS). A segunda categoria inclui fenômenos

relacionados ao Efeito Kerr óptico, que ocorre devido à dependência do índice de refração

com a intensidade óptica. Os principais efeitos nessa categoria são a Auto-Modulação de

Fase (Self-Phase Modulation - SPM), a Modulação de Fase Cruzada (Cross-Phase Mo-

dulation - XPM) e a Mistura de Quatro Ondas (Four-Wave Mixing - FWM).

Outros efeitos não-lineares associados a essa categoria são a Instabilidade Modulacional

(Modulational Instability - MI) e a Formação de Sólitons (Sóliton Formation - SF). Uma

vez que dependem da potência do sinal óptico, os efeitos não-lineares tornam-se impor-

tantes para sistemas de comunicação óptica que operam a altas taxas de bit e potências de

transmissão.

Tipos de Fibras

O International Telecommunication Union (ITU), grupo internacional responsável pela

padronização de sistemas de telecomunicações, classiﬁca e deﬁne os seguintes tipos de ﬁbra

óptica (HEATHER et al., 2004):

• Multimode Fiber with a 50-Micron Core (ITU-T G.651): ﬁbra multimodo com diâmetro

nominal do núcleo e da casca respectivamente iguais a 50 e 125 microns.

• Nondispersion Shifted Fiber (ITU-T G.652): ﬁbra monomodo padrão (mais comumente

utilizada), com dispersão zero em 1310 nm.

• Dispersion Shifted Fiber (ITU-T G.653): ﬁbra monomodo, com dispersão zero em 1550

nm.

• 1550-nm Loss-Minimized Fiber (ITU-T G.654): caso especial de ﬁbra monomodo padrão,

com baixa perda na região de 1500 a 1600 nm.

• Nonzero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) (ITU-T G.655): ﬁbra monomodo cuja disper-

são cromática é diferente de zero na banda C, reduzindo os efeitos não-lineares.

4.1.4 Ampliﬁcadores Ópticos

Os ampliﬁcadores ópticos são dispositivos utilizados para ampliﬁcar o sinal, compen-

sando as perdas devidas à atenuação. Funcionalmente, os ampliﬁcadores ópticos são idênticos

aos ampliﬁcadores elétricos e repetidores, com a diferença de que a ampliﬁcação é realizada

inteiramente no domínio óptico. Os ampliﬁcadores ópticos funcionam de forma semelhante aos

Lasers: a ampliﬁcação do sinal de entrada é obtida por emissão estimulada, através um processo

de bombeio elétrico ou óptico em um meio com ganho.

Existem tres tipos básicos de ampliﬁcadores ópticos:

• Ampliﬁcador de Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber Ampliﬁer - EDFA):

O EDFA é um ampliﬁcador óptico, funcional na banda C, no qual o meio com ganho

consiste em alguns metros de ﬁbra óptica dopada com íons de Érbio, um elemento do

tipo terra-rara. Na Figura (4.11) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) é mostrado um diagrama

simpliﬁcado de um EDFA.

Figura 4.11: Erbium Doped Fiber Ampliﬁer - EDFA (CISCO SYSTEM, INC., 2000)

Na Figura (4.12) (NIIT et al., 2001) é mostrado um esquema do funcionamento do EDFA.

Figura 4.12: Níveis de energia e funcionamento do EDFA (NIIT et al., 2001).

O sinal óptico a ser ampliﬁcado é injetado em uma ﬁbra dopada com Érbio, na qual é

aplicado um sinal de bombeio contínuo em 980 ou 1480 nm. Esse sinal de bombeio faz

com que elétrons no nível de energia fundamental N

passem para um nível excitado de

energia N

. Esses elétrons excitados decaem rapidamente para um nível meta-estável de

energia N

. O sinal óptico injetado estimula os elétrons no nível N

a decairem para o

nível N

, emitindo fótons de comprimento de onda da ordem de 1550 nm. Dessa forma,

o sinal óptico injetado é ampliﬁcado.

• Ampliﬁcador Raman (Raman Ampliﬁer - RA):

O RA é um ampliﬁcador óptico cujo funcionamento é baseado no efeito não-linear de-

nominado Espalhamento Raman Estimulado (SRS), mencionado anteriormente. A am-

pliﬁcação Raman ocorre quando um sinal de bombeio de comprimento de onda menor

propaga-se em uma ﬁbra, criando uma onda de espectro largo (onda de Stokes) que trans-

fere energia e ampliﬁca múltiplos canais por interação entre fônons ópticos. O espectro

de ganho para a ampliﬁcação Raman é bastante largo (150 to 200 nm), cobrindo as bandas

de operação S, C, L e U.

• Ampliﬁcador Óptico a Semicondutor (Semiconductor Optical Ampliﬁer - SOA):

Lasers de Semicondutor podem ser utilizados como ampliﬁcadores ópticos removendo-

se o feedback da cavidade ressonante. Isso é feito substituindo as extremidades do laser

por revestimentos anti-reﬂetores. Devido a severas limitações, como elevado crosstalk e

baixa potência de saída, o SOA é atualmente pouco utilizado.

A Tabela (4.1) mostra uma comparação entre os três tipos de ampliﬁcadores ópticos.

Parâmetro EDFA Raman SOA

Ganho ∼ 30 dB ∼ 20-25 dB ∼10-20 dB

Potência de Saída Alta Alta Baixa

Potência de Entrada Moderado Alta Alta

Cross-talk Baixo Baixo Muito Alto

Tendência de Ganho Alto Baixo Alto

Aplicação Metro long haul long haul short haul, canal simples, conversos

Tabela 4.1: Comparativo entre ampliﬁcadores ópticos.

4.1.5 Receptores Ópticos: Fotodetetores

A função dos receptores ópticos é decodiﬁcar e interpretar o sinal, gerando um ﬂuxo

de dados elétrico proporcional ao sinal óptico recebido. O componente principal de um receptor

óptico é o fotodetetor, que converte um sinal de potência óptica em corrente elétrica. Os fotode-

tetores precisam satisfazer características rigorosas para terem um bom desempenho, tais como

boa responsividade para uma grande faixa de comprimentos de onda utilizados para transmis-

são (geralmente nas regiões de 850 nm, 1300 nm ou 1550 nm), baixo rúido, baixa sensibilidade

a variações de temperatura, baixo custo e longo tempo de vida. Embora existam vários tipos

de fotodetetores disponíveis, em sistemas de comunicação óptica são utilizados exclusivamente

fotodetetores baseados em semicondutores (Fotodiodos). Os Fotodiodos mais comuns são os

Fotodiodos PIN e os Fotodiodos de Avalanche (Avalanche Photo Diodes - APD), devido ao seu

tamanho pequeno, resposta rápida, alta foto-sensibilidade e baixo custo.

• Fotodiodo PIN

O Fotodiodo PIN é uma extensão do diodo de junção p-n, no qual é inserido um material

intrínseco ligeiramente dopado na junção, aumentando a largura de sua região de deple-

ção. A Figura (4.13) (ALWAYN, 2004) mostra uma visão geral do funcionamento de um

Fotodiodo PIN.

Figura 4.13: Fotodiodo PIN (ALWAYN, 2004).

• Fotodiodo de Avalanche

Quando a luz é absorvida por um Fotodiodo PIN, apenas um par elétron-buraco é gerado

por fóton. A sensibilidade do detetor pode ser aumentada se mais elétrons forem gera-

dos, de modo que seja necessária uma potência menor. Se um campo elétrico intenso

for aplicado aos elétrons gerados, mais elétrons serão excitados da banda de valência

para a banda de condução, resultando na geração de mais pares elétron-buraco. Esses

pares elétron-buraco secundários por sua vez podem geram outros pares, num processo

multiplicativo chamado Efeito Avalanche.

A Figura (4.14) (ANTONY; GUMASTE, 2002) mostra um esquema geral de um Fotodi-

odo de Avalanche.

Figura 4.14: Fotodiodo Avalanche (ANTONY; GUMASTE, 2002).

4.1.6 Multiplexadores e Demultiplexadores Ópticos

O Multiplexador Óptico combina os múltiplos comprimentos de onda provenientes de

várias ﬁbras em um sinal de entrada único a ser transmitido por uma única ﬁbra óptica. Na outra

extremidade do sistema, o Demultiplexador Óptico separa novamente o sinal recebido em suas

componentes de comprimento de onda, acoplando-as a ﬁbras individuais. Vários dispositivos e

tecnologias são utilizados na Multiplexação/Demultiplexação:

• Cavidade Fabry-Perot (FP)

Uma cavidade FP é um dispositivo utilizado na demultiplexação que permite sintonizar

um determinado comprimento de onda. Consiste de duas superfícies reﬂetoras separadas

por um meio refrativo e funciona como uma cavidade ressonante.

A Figura (4.15) (ALWAYN, 2004) apresenta o esquema da cavidade ressomante (FP).

Figura 4.15: Cavidade Fabry-Perot (FP) (ALWAYN, 2004).

A reﬂetividade das duas superfícies reﬂetoras é função do comprimento de onda de ope-

ração e pode ser ajustada para sintonizar diferentes comprimentos de onda de ressonân-

cia. O comprimento de onda de ressonância também pode ser ajustado aplicando-se

uma voltagem a um transdutor que muda a distância entre as superfícies reﬂetoras, alte-

rando o comprimento da cavidade. Um cavidade típica para sistemas WDM é construída

utilizando-se um gap de ar entre as superfícies polidas de duas ﬁbras ópticas.

• Grade de Bragg (Fiber Bragg Grating - FBG)

A Grade de Bragg é um dispositivo utilizado em sistemas WDM como ﬁltro seletor de

comprimentos de onda. Consiste de um pequeno trecho de ﬁbra no qual foram criadas

perturbações periódicas no índice de refração por exposição à radiação ultravioleta, con-

forme esquematizado na Figura (4.16) (NIIT et al., 2001).

Figura 4.16: Grade de Bragg (FBG) (NIIT et al., 2001).

Quando um sinal com várias componentes de comprimentos de onda diferentes propaga-

se através dessa perturbação, uma única componente é reﬂetida para trás, cujo compri-

mento de onda corresponde ao chamado Comprimento de Onda de Bragg, dado por

= 2nτ, (4.6)

onde n é o índice de refração do núcleo da ﬁbra e τ é o período da perturbação ou grade.

• Filtro Acusto-Óptico Sintonizável (Acousto-Optical Tunable Filter - AOTF)

O AOTF é um ﬁltro dinamicamente sintonizável que facilita a adição/extração de ca-

nais, podendo ser utilizado em aplicações de roteamento e demultiplexação em sistemas

WDM. Seu funcionamento é baseado na geração de uma série de ondas ultrasônicas no

interior de um guia de ondas de cristal de LiNbO

, de modo que é criada uma grade acús-

tica dinâmica. As ondas ultrasônicas são geradas aplicando-se um sinal RF no cristal,

conforme mostra a Figura (4.17) (NIIT et al., 2001).

Figura 4.17: Filtro Sintonizável Acusto-Óptico (AOTF) (NIIT et al., 2001).

• Grade de Guias de Onda Ordenados (Arrayed Waveguide Grating- AWG)

O AWG é um dispositivo que consiste de múltiplos guias de onda de diferentes com-

primentos convergindo no mesmo ponto. Os sinais atravessam cada um desses guias de

onda, percorrendo distâncias diferentes, tal que no ponto de convergência ocorre interfe-

rência construtiva ou destrutiva dependendo da diferença de fase entre os sinais. Portanto,

o AWG pode ser utilizado para multiplexar e demultiplexar o sinal em fase. Na direção

de transmissão, o AWG combina comprimentos de onda de vários guias em um guia

de saída, funcionando como multiplexador. Na direção oposta, o AWG separa os com-

primentos de onda individuais do sinal composto, funcionando como demultiplexador

(Figura 4.18) (NIIT et al., 2001).

Figura 4.18: Grade de Guias de Onda Ordenados (AWG) (NIIT et al., 2001).

• Interferômetro de Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interfefometer - MZI)

O MZI é um dispositivo que consiste da junção de dois acopladores passivos 2X2. Os

acopladores são conectados a dois braços de tal forma que os sinais em cada braço inter-

ferem um com o outro duas vezes, conforme mostra a Figura (4.19) (NIIT et al., 2001).

Figura 4.19: Interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) (NIIT et al., 2001).

Os acopladores são balanceados de forma que a potência de entrada seja igualmente di-

vidida entre os dois braços. O primeiro acoplador divide o sinal em dois. A diferença de

fase entre os dois sinais que se propagam pode ser ajustada variando-se o comprimento

dos braços. Dessa forma, os sinais interferem construtivamente ou destrutivamente no

segundo acoplador, bloqueando um determinado comprimento de onda.

• Filtros de Filme Fino (Thin Film Filters - TFF)

O TFF é um dispositivo utilizado para multiplexar ou demultiplexar sinais ópticos. Seu

funcionamento é semelhante ao dos ﬁltros de cavidade, no sentido que uma cavidade

ressonante seleciona os comprimentos de onda permitidos. No TFF, a cavidade é formada

por ﬁlmes ﬁnos com interfaces que agem como reﬂetores, conforme esquematizado na

Figura (4.20) (NIIT et al., 2001).

Figura 4.20: Filtros de Filme Fino (TFF) (NIIT et al., 2001).

Vários desses componentes podem ser integrados de modo a demultiplexar um sinal,

conforme mostra a Figura (4.21) (ALWAYN, 2004).

Figura 4.21: Filtros de Filme Fino integrados para demultiplexar um sinal (ALWAYN, 2004).

• Optical Add/Drop MUX (OADM)

O OADM é um dispositivo de chaveamento óptico utilizado em sistemas WDM para

adicionar/remover um ou mais comprimentos de onda do sinal óptico em algum ponto

entre o multiplexador e o demultiplexador, sem que haja a necessidade de conversão

do domínio óptico para o elétrico. Na Figura (4.22) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) é

mostrado um esquema do funcionamento de um OADM.

Figura 4.22: Optical Add/Drop MUX (OADM) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

4.1.7 Acopladores, Circuladores e Isoladores

Os acopladores são dispositivos ópticos passivos bidirecionais utilizados para combi-

nar ou separar sinais em sistemas de comunicação óptica. O princípio de funcionamento de um

acoplador consiste em fundir os núcleos de N ﬁbras de entrada aos núcleos de M ﬁbras de saída,

de modo a criar um dispositivo de transferência de potência óptica. Na Figura (4.23) (NIIT et

al., 2001)é mostrado o esquema de um acoplador 2X2.

Figura 4.23: Acoplador 2X2 (NIIT et al., 2001).

Um Circulador é um dispositivo de múltiplas portas que permite a propagação de sinais

ópticos em certas direções com base na porta de origem do sinal. O Circulador tipicamente

possue três portas, conforme mostra a Figura (4.24) (ANTONY; GUMASTE, 2002).

Figura 4.24: Circulador (ANTONY; GUMASTE, 2002).

O sinal que entra pela porta 1 é direcionado para a porta 2, enquanto o sinal que entra

pela porta 2 é direcionado para a porta 3. Assim, o Circulador opera essencialmente como

um isolador que permite apenas propagação unidirecional, separando comprimentos de onda

através de divisores de feixe (beam splitters) de polarização.

O Isolador é um dispositivo que permite apenas a passagem de sinais ópticos em um

determinado estado de polarização (State of Polarization - SOP). O Isolador consiste de po-

larizadores e Rotacionadores de Faraday, conforme mostra a Figura (4.25) (ANTONY; GU-

MASTE, 2002).

Figura 4.25: Isolador (ANTONY; GUMASTE, 2002).

4.2 Caracterização de Sistemas WDM

Um sistema WDM típico compreende vários componentes passivos (ﬁbras ópticas,

multiplexadores, demultiplexadores, ﬁltros, acopladores, etc.) e ativos (lasers, detetores, am-

pliﬁcadores) que operam em conjunto para formar um sistema completo de comunicação por

ﬁbras ópticas. Cada um desses componentes deve ser caracterizado e testado individualmente,

de modo a garantir a operação do sistema como um todo sem degradação do desempenho.

Após a caracterização e teste dos componentes individuais, devem ser realizados testes

do sistema como um todo, tais como a determinação da Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate

- BER e da Razão Sinal/Ruído Óptica (Optical Signal to Noise Ratio - OSNR) e a análise do

espectro e do Diagrama de Olho. Na Figura (4.26) (ANTONY; GUMASTE, 2002) é mostrado

um sistema WDM típico, juntamente com as principais características e parâmetros que devem

ser testados.

Figura 4.26: Sistema WDM e seu parâmetros (ANTONY; GUMASTE, 2002).

Nas seções seguintes serão apresentados os principais parâmetros utilizados para ca-

racterizar os componentes ópticos passivos de um sistema WDM e algumas das técnicas geral-

mente utilizadas para caracterizar o desempenho do sistema como um todo.

4.2.1 Parâmetros Básicos e Especiﬁcações

O principais parâmetros utilizados para caracterizar os componentes ópticos passivos

de um sistema WDM são:

• Comprimentos de Onda Nominais

São os comprimentos de onda correspondentes a cada canal de transmissão do sistema.

Geralmente adota-se o padrão deﬁnido pelo ITU (ITU Grid).

• Comprimento de Onda de Referência

O comprimento de onda de referência (λ

) ou freqüência de referência (f

) é deﬁnido

como sendo o valor posicionado no centro da banda de operação (S, C, L e U), a partir do

qual distribuem-se os diversos comprimentos de onda nominais.

• Espaçamento entre Canais

O espaçamento entre os canais é deﬁnido como sendo o intervalo aproximado entre dois

canais adjacentes, geralmente dado em termos do comprimento de onda ∆λ (nm) ou da

freqüência ∆f (GHz).

• Comprimento de Onda de Pico

É o comprimento de onda medido na saída de um dispositivo óptico com o mínimo de

perda entre o sinal de entrada e o sinal de saída (Figura 4.27) (ANTONY; GUMASTE,

2002).

Figura 4.27: Comprimento de onda de pico (ANTONY; GUMASTE, 2002).

• Comprimento de Onda Central Médio

É o valor médio do comprimento de onda medido entre as extremidades de uma banda

(deﬁnidas pelos comprimentos de onda 1 dB abaixo do pico). No caso ideal, o com-

primento de onda de referência e o comprimento de onda central médio devem ser os

mesmos.

• Largura de Banda (Bandwidth)

É o valor da largura de um ﬁltro para um nível especíﬁco abaixo do pico máximo.

• Banda Passante (Passband)

É o ponto de referência acima do qual as medidas ópticas são feitas. Refere-se à largura

de banda operacional disponível e é sempre determinada em relação aos comprimentos

de onda deﬁnidos pelo padrão ITU. Se uma banda passante é especiﬁcada como P, então

a largura de banda operacional é determinada por λ

−P e λ

+ P, conforme mostra a

Figura (4.28) (ANTONY; GUMASTE, 2002).

Figura 4.28: Banda Passante (ANTONY; GUMASTE, 2002).

• Forma de Banda Passante (Passband Shape)

É a forma da resposta espectral dentro da banda passante. Os três tipos de resposta mais

conhecidos são resposta plana, resposta Gaussiana e resposta Lorentziana.

• Perda por Inserção (Insertion Loss)

É a diferença entre a potência de entrada e a potência de saída do dispositivo sob teste

para cada canal, expressa em dB.

• Crosstalk

O crosstalk especiﬁca a potência tranferida a um canal pelos canais adjacentes (ambos

os canais à direita e à esquerda). Existem duas formas de crosstalk em sistemas WDM:

interchannel crosstalk e intrachannel crosstalk , que podem ocorrer em diversos com-

ponentes ópticos como ﬁltros, multiplexadores, demultiplexadores, ampliﬁcadores e na

própria ﬁbra através de efeitos não-lineares (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 2002).

• Perda por Retorno (Return Loss)

É dada pela razão entre a potência incidente e a potência reﬂetida, podendo depender do

comprimento de onda.

• Perda por Excesso (Excess Loss)

É a razão entre a potência de entrada e a potência total de saída do dispositivo sob teste,

expressa em dB.

4.2.2 Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate - BER) e Fator de Qualidade

(Q-factor)

Quando um sinal se propaga através de um enlace óptico, efeitos como a atenuação,

a dispersão, não-linearidades e ruídos introduzidos na deteção provocam distorções que degra-

dam a qualidade da transmissão. O teste mais fundamental para avaliar o desempenho de um

sistema de comunicação óptica consiste em determinar a probabilidade de que um bit não seja

transmitido corretamente, denominada Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate - BER).

A BER é deﬁnida como a razão entre o número de bits errados recebidos, n, e o número

total de bits transmitidos, m:

BER =

. (4.7)

Para os sistemas de comunicação atuais, considera-se aceitável uma BER na faixa de

−9

a 10

−15

, ou seja, 1 bit errado em 10

a 10

bits transmitidos (RAMASWAMI; SIVARA-

JAN, 2002).

Analiticamente, a BER pode ser calculada assumindo-se que o ruído associado à re-

cepção de um sinal binário tenha um comportamento estatístico (AGRAWAL, 2001; LOPES,

2006), sendo dada por

BER = p(1)P(0|1) + p(0)P(1|0), (4.8)

onde p(1) e p(0) são respectivamente as probabilidades de se receber os bits 1 e 0 e P(0|1) e

P(1|0) são respectivamente as probabilidades condicionais de se interpretar (receber) um bit 0

dado que foi transmitido um bit 1 e a probabilidade de se interpretar (receber) um bit 1 dado

que foi transmitido um bit 0.

Considerando-se que as probabilidades de ocorrência de 0 e 1 são iguais (eventos eqüi-

prováveis), a Eq. (4.9) resulta em:

BER =

[P(0|1) + P(1|0)]. (4.9)

Assumindo um modelo em que o ruído introduzido no sinal transmitido obedece uma

distribuição de probabilidades gaussiana Figura (4.29) (LOPES, 2006), com valores médios e

variâncias para os níveis lógicos 1 e 0 dados respectivamente por (µ

, σ

) e (µ

, σ

), a BER

pode ser obtida a partir da seguinte expressão

BER =

[erfc(

−y

√

2σ

) + er fc(

−µ

√

2σ

)], (4.10)

onde y

representa um valor limiar utilizado como referência na decisão para interpretar o bit

recebido como 0 ou 1 (decision threshold) e erfc(x) é a Função Erro Complementar, deﬁnida

por

erfc(x) =

√



∞

exp(−y

)dy. (4.11)

Figura 4.29: Modelo Gaussiano para o ruído (LOPES, 2006).

A partir da relação (4.10), nota-se que deve haver um valor ótimo do limiar y

para o

qual a BER é minimizada. Essa condição é obtida considerando-se as probabilidades de erro

P(0|1) e P(1|0) iguais, tal que:

−y

−µ

≡ Q, (4.12)

onde o parâmetro Q, deﬁnido dessa forma, é denominado Fator de Qualidade do sinal (Q-

factor).

A partir da Eq. (4.12), o valor otimizado de y

é dado por

−σ

+ σ

. (4.13)

Utilizando-se as Eqs. (4.12) e (4.13), obtém-se o Fator de Qualidade Q:

Q =

−µ

+ σ

. (4.14)

Quando todos os bits possuem o mesmo nível de ruído, tem-se σ

= σ

, de modo que

(µ

−µ

). (4.15)

A Eq. (4.15) mostra que nessa situação o valor de limiar encontra-se no ponto médio

entre os valores dos níveis 0 e 1. Nessas condições, é possível aproximar os valores da BER

utilizando a expressão

BER =

erfc(

√

)

∼

exp

−Q

√

2π

. (4.16)

A Figura (4.30) (ANTONY; GUMASTE, 2002) mostra a relação entre o Fator de Qua-

lidade, Q, e a taxa BER. Como pode-se observar, quanto maior o valor de Q menor será o valor

da BER.

Figura 4.30: Relação entre Q-factor e BER (ANTONY; GUMASTE, 2002).

4.2.3 Diagrama de Olho e Análise das Formasde Onda dos Sinais Ópticos

O Diagrama de Olho é uma técnica experimental utilizada para analisar a qualidade de

sinais em um sistema de comunicações por ﬁbras ópticas. Esse método já vem sendo utilizado

há bastante tempo para avaliar o desempenho de sistemas de transmissão eletrônicos.

O Diagrama do Olho é gerado experimentalmente utilizando-se um osciloscópio, atra-

vés da superposição no domínio do tempo de várias seqüências de bits. Como exemplo, con-

sideremos todas as 8 possibilidades para uma sequência de 3-bits (2

= 8): 000, 001, 010,

011,100,101,110 e 111. Se todas as combinações forem superpostas e exibidas em um os-

ciloscópio, será obtido um Diagrama de Olho como o mostrado a Figura (4.31) (ANTONY;

GUMASTE, 2002).

Figura 4.31: Formação do Diagrama de Olho (ANTONY; GUMASTE, 2002).

A Figura (4.32) (ANTONY; GUMASTE, 2002) mostra um Diagrama de Olho típico

de um sinal óptico.

Figura 4.32: Diagrama de Olho obtido com um Osciloscópio (ANTONY; GUMASTE, 2002).

A abertura na vertical (altura) mostra a capacidade entre distinguir entre um bit 1 e

um bit 0. A abertura na horizontal (largura) fornece o período de tempo durante o qual pode-

se fazer a amostragem do sinal sem qualquer erro. A análise do Diagrama de Olho fornece

também informações sobre a distorção do sinal, tempo de subida do pulso (rise time), jitter e

permite obter parâmetros como a taxa de extinção e o Fator de Qualidade (Q-factor). Quanto

mais largo e aberto o Diagrama de Olho obtido para um sistema, melhor o seu desempenho.

Uma montagem experimental básica utilizada para gerar o Diagrama de Olho é mostrada na

Figura (4.33) (ANTONY; GUMASTE, 2002). Um gerador PRBS (Pseudo-Random Binary

Sequence) é utilizado para gerar dados com a ﬁnalidade de testar o dispositivo. O PRBS pode

gerar padrões de dados de 2

x1 bits (valores típicos de N são 7, 9, 13 e 31). Após alcançar o

limite, a sequência de bits é repetida.

Figura 4.33: Geração de um Diagrama de Olho (ANTONY; GUMASTE, 2002).

5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS

CANAIS COM O SOFTWARE VPI

O software VPI foi originalmente introduzido em 1998 e era conhecido como PDA

(Photonic Design Automation). O VPI atualmente agrega os elementos do PDA como um

conjunto de elementos (desenvolvimento de metodologias, ferramentas de software e serviços)

que norteiam a engenharia de redes ópticas (VPI, 2007a). A necessidade de baixo custo e

um maior shakeout dos enlaces de comunicações levaram ao uso de simulações nos diferentes

níveis de um enlace óptico.

Algumas das vantagens diretas na implementação de simulações são: base para a cria-

ção de processos, familiaridade com as próximas gerações de componentes (sem a necessidade

de aquisição imediata) e geração de conhecimento nos processos desenvolvidos.

A Figura (5.1) apresenta a estrutura geral do software VPI.

Figura 5.1: Estrutura geral do software VPI (VPI, 2007a).

Na camada inferior do VPI encontra-se o VPItransmissionMaker, responsável pela

análise de links de comunicações ópticas. Nessa camada, o VPI permite selecionar o tipo e o

formato do sinal e estabelecer um trade-off entre a rapidez da simulação e a precisão, podendo

esta ser otimizada dependendo da aplicação e do fenômeno estudado.

A base do VPItransmissionMaker para a realização das simulações é construída sobre

um conjunto de soﬁsticados modelos matemáticos e numéricos, os quais seguem uma ﬁlosoﬁa

Black Box e modular. Os efeitos físicos fornecidos por esses modelos são determinados através

de parâmetros globais e locais de cada modelo.

Uma simulação com o VPI estabelece três elementos principais de monitoramento e

controle: Universo (Universe), Galáxia (Galaxy) e Estrela (Star). Uma Estrela é a menor uni-

dade (componente) dentro de uma simulação, não podendo ser alterada. Uma Galáxia é uma

unidade (módulo) constituída de várias Estrelas e outras Galáxias. Finalmente, um Universo

agrega todas as Galáxias e Estrelas. Dessa forma, o VPI permite a comunicação/compartilha-

mento de informações entre as Galáxias e as Estrelas. Essa abordagem leva o desenvolvimento

da simulação a um paradigma de programação baseado na programação estruturada. Cada um

desses objetos permite ajustar seus parâmetros de forma global ou apenas localmente ao objeto.

Os principais parâmetros do VPI são:

• TimeWindow: conﬁgura o período de tempo para representar um bloco de dados (tama-

nho da palavra); esse parâmetro ajusta a resolução do espectro e a precisão da BER.

• SampleRateDefault: utilizado em todos os módulos como taxa de amostragem; no en-

tanto, diferentes taxas de amostragem podem ser conﬁguradas em cada módulo pelo pa-

râmetro SampleRate.

• SampleModeCenterFrequency: conﬁgura a freqüência central global para todos os ca-

nais.

• BitRateDefault: utilizado em todos os módulos como taxa de bits; no entanto, diferentes

taxas de bits podem ser conﬁguradas em cada módulo pelo parâmetro BitRate.

Como exemplo, a Figura (5.2) apresenta o parâmetro global - TimeWindow.

Figura 5.2: Parâmetro global - TimeWindow (VPI, 2007a).

A escolha adequada desses parâmetros inﬂuencia diretamente o desempenho da simu-

lação e até se a mesma vai ser executada ou não. Algumas regras simples são:

• SampleRateDefault x TimeWindow: deve ser uma potência de dois, 2

• BitRateDefault x TimeWindow: deve ser uma potência de dois, 2

Uma forma de deﬁnir esses parâmetros adequadamente consiste em escolher inicial-

mente a Taxa de Bits (BitRate) do sistema a ser simulado. A próxima etapa consiste em escolher

quantos blocos de dados serão amostrados a essa Taxa de Bits e, em seguida, qual é o tamanho

da palavra utilizada (TimeWindow). A Tabela (5.1) resume esses parâmetros.

Sistema BitRate SampleRate TimeWindow Amostras/Bloco

2,5 Gbp/s único canal NRZ 2,5e9 8 * 2,5e9 64 / 2,5e9 512

16 * 2,5e9 512 / 2,5e9 8192

32 * 2,5e9 1024 / 2,5e9 32768

10 Gbp/s único canal NRZ 10e9 8 * 2,5e9 64 / 2,5e9 512

16 * 2,5e9 512 / 2,5e9 8192

32 * 2,5e9 1024 / 2,5e9 32768

Tabela 5.1: Parâmetros globais típicos de uma simulação com o VPI.

5.1 Taxa de Erro de Bit (BER)

Com o intuito de ganhar maior familiaridade com a montagem do sistema WDM de

dois canais (1310 nm e 1550 nm) utilizada no experimento remoto implementado, foram reali-

zadas simulações da medida da BER do sistema.

Todas as simulações foram realizadas utilizando-se modulação externa dos lasers e os

parâmetros para a ﬁbra óptica mostrados na Tabela (5.2):

Canal (nm) Coeﬁciente de Atenuação (dBm/km) Coeﬁciente de Dispersão (ps/nm.km)

1310 0,35 0,22

1550 0 17,38

Tabela 5.2: Parâmetros da ﬁbra óptica utilizados na simulação.

A Figura (5.3) mostra a estrutura do aplicativo desenvolvido com o VPI para a simula-

ção da BER do sistema.

Figura 5.3: Estrutura do aplicativo em VPI para simulação da Taxa BER.

5.1.1 BER em função da Potência do Laser para vários Comprimentos

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação da potência fornecida pelos lasers para diferentes

comprimentos da ﬁbra óptica. Nas Figuras (5.4) e (5.5) são mostrados os resultados obtidos

utilizando-se respectivamente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em

ambos os canais.

Observando a Figura (5.4) veriﬁca-se para ambos os canais que a BER diminui à me-

dida que a potência dos lasers aumenta. Esse resultado era esperado, uma vez que o aumento

da potência do laser corresponde a um aumento do valor médio do nível de potência para o bit

1, de modo que melhora a capacidade do sistema de distinguir entre o bit 0 e o bit 1. Nota-se

ainda que para uma dada potência e comprimento da ﬁbra, o desempenho do canal de 1550 nm

é signiﬁcativamente melhor do que o do canal de 1310 nm. Esse resultado pode ser explicado

considerando-se que o canal de 1310 nm apresenta uma atenuação maior do que o canal de 1550

nm. Veriﬁca-se também que os valores da BER aumentam quando a Taxa de Bits passa de 1

Gbps para 10 Gbps.

Comparando as Figuras (5.4) e (5.5) veriﬁca-se que a BER aumenta signiﬁcativamente

quando a largura dos lasers passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais operando a

taxa de bits igual a 1 Gbps. Quando a taxa de bits é igual a 10 Gbps esse aumento é menor,

indicando que o desempenho do sistema já está limitado pela taxa de bits. Nota-se também que

para largura do laser igual a 1 GHz as curvas tendem a um patamar mínimo à medida que a

potência aumenta, denominado BER-ﬂoor. Esse efeito é mais pronunciado para 1550 nm.

É importante observar que a análise das curvas obtidas permite determinar a potência

óptica mínima do laser necessária à operação do sistema com um nível de BER mínimo espe-

ciﬁcado para um determinado comprimento da ﬁbra óptica. Geralmente, essa potência mínima

é determinada com base no canal de menor desempenho. Por exemplo, no caso de um sistema

operando com lasers de largura 50 MHz, taxa de bits 1 Gbps e comprimento da ﬁbra 10 km,

para obter-se um nível de BER mínimo de referência igual a 10

−10

é necessário utilizar uma

potência mínima igual a -15 dBm. Esse valor é determinado com base no canal de 1310 nm, o

qual apresenta a maior perda.

A Tabela (5.3) mostra os valores utilizados para os parâmetros principais.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz

Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz

Potência Laser 0,01 mW até 0,5 mW (55 pontos)

Taxa de Bit 1 Gbps e 10 Gbps

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 dBm

Atenuação de Entrada 1550 nm 0 dBm

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (5 curvas)

Perda por Inserção 1,3 dBm

Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km

Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km

Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km

Dispersão 1550 nm 17,38.10

−6

ps/nm.km

Tabela 5.3: Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência do Laser para

vários Comprimentos.

(a) (b)

Figura 5.4: BER x Potência do Laser (Largura dos lasers de 50 MHz): (a) Taxa de Bits 1 Gbps

/ Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de Bits 10 Gbps /

Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550 nm.

(a) (b)

Figura 5.5: BER x Potência do Laser (Largura dos lasers de 1 GHz): (a) Taxa de Bits 1 Gbps

/ Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de Bits 10 Gbps /

Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550 nm.

5.1.2 BER em função da Largura do Laser para vários Comprimentos

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação da largura dos lasers para diferentes comprimentos

da ﬁbra óptica. Nas Figuras (5.6) e (5.7) são mostrados os resultados obtidos utilizando-se

respectivamente valores para a taxa de bits dos lasers iguais a 1 Gbps e 10 Gbps em ambos os

canais.

Observando a Figura (5.6) veriﬁca-se para ambos os canais que a BER aumenta à

medida que a largura dos lasers aumenta. Esse resultado era esperado, uma vez que o aumento

da largura do laser produz uma maior superposição de bits, modo que piora a capacidade do

sistema de distinguir entre bits 0 e 1 sucessivos. Esse efeito é mais pronunciado para ﬁbras de

comprimento menor. Como no caso anterior, veriﬁca-se que o desempenho do canal de 1550

nm é signiﬁcativamente melhor do que o do canal de 1310 nm e, conforme esperado, que os

valores da BER aumentam quando a potência dos lasers passa de 0,1 mW para 0,065 mW.

Comparando as Figuras (5.6) e (5.7) veriﬁca-se que a inﬂuência da largura sobre a BER

diminui para ambos os canais quando a taxa de bits passa de 1 Gbps para 10 Gbps, indicando

novamente que o desempenho do sistema já está limitado pela taxa de bits. Veriﬁca-se que, esse

efeito é mais pronunciado para o canal de 1310 nm.

Os resultados das simulações 5.1.1 e 5.1.2 mostram que, para as situações analisadas,

a atenuação é um fator mais importante do que a dispersão no que se refere à limitação do

desempenho do sistema, uma vez que a BER é sempre maior no canal de 1310 nm para o qual o

coeﬁciente de atenuação na ﬁbra (0,35 dBm/km) é maior do que para o canal de 1550 nm (0,22

dBm/km). Isso ocorre embora o coeﬁciente de dispersão na ﬁbra seja menor para o canal de

1310 nm (0 ps/nm.km) do que para o canal de 1550 nm (17 ps/nm.km).

A Tabela (5.4) mostra os valores utilizados para os parâmetros principais.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz até 1 GHz (55 pontos)

Largura do Laser 1550 nm 50 MHz até 1 GHz (55 pontos)

Potência Laser 0,1 mW e 0,065 mW

Taxa de Bit 1 Gbps e 10 Gbps

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 dBm

Atenuação de Entrada 1550 nm 0 dBm

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (5 curvas)

Perda por Inserção 1,3 dBm

Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km

Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km

Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km

Dispersão 1550 nm 17,38.10

−6

ps/nm.km

Tabela 5.4: Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Largura do Laser para

vários Comprimentos.

(a) (b)

Figura 5.6: BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 1 Gbps): (a) Potência de 0,1 mW / Canal de

1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência de 0,065 mW / Canal de

1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm.

(a) (b)

Figura 5.7: BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 10 Gbps): (a) Potência de 0,1 mW / Canal

de 1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência de 0,065 mW / Canal

de 1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm.

5.1.3 BER em função da Potência Recebida para várias Taxas de Bits

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação da potência recebida (ROP - Received Optic Power)

para diferentes taxas de bits. Nas Figuras (5.8) e (5.9) são mostrados os resultados obtidos

utilizando-se respectivamente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em

ambos os canais.

Observando a Figura (5.8) veriﬁca-se que para ambos os canais a BER diminui à me-

dida que a potência recebida aumenta. Nota-se também que, mantendo ﬁxo o valor da potência

recebida, a BER não varia signiﬁcativamente com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps.

Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta com a taxa de bits, sendo esse efeito mais

pronunciado para o canal de 1550 nm. Nesse caso, o desempenho do canal de 1310 torna-se

melhor do que o do canal de 1550 nm à medida que aumenta a taxa de bits.

Comparando as Figuras (5.8) e (5.9) veriﬁca-se que, mantendo a potência recebida

ﬁxa, a BER diminui com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps quando a largura dos lasers

passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta

com a taxa de bits, sendo esse efeito mais pronunciado para o canal de 1550 nm. É importante

notar que para o canal de 1310 nm ocorre um cruzamento das curvas correspondentes a taxas

de bits de 2,5 e 5,0 Gbps. Esses resultados permitem antecipar a existência de um ponto de

mínimo na curva BER x Taxa de bits, cuja posição deve depender da largura dos lasers.

A Tabela (5.5) mostra os valores utilizados para os parâmetros principais.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz

Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz

Potência Laser 1,2 mW

Taxa de Bit 0,25 até 1,25 Gbps (5 curvas)

2,5 até 12,5 Gbps (5 curvas)

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 até 6 dBm (55 pontos)

Atenuação de Entrada 1550 nm 6,5 até 12,5 dBm (55 pontos)

Comprimento da Fibra 50 km

Perda por Inserção 1,3 dBm

Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km

Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km

Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km

Dispersão 1550 nm 17,38.10

−6

ps/nm.km

Tabela 5.5: Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência Recebida (ROP)

para várias Taxas de Bits.

(a) (b)

Figura 5.8: BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 50 MHz e

Potência dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b)

Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal

de 1310 nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm.

(a) (b)

Figura 5.9: BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 1 GHz e Potência

dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de

bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1310

nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm.

As Figuras (5.10) e (5.11) mostram os Diagramas de Olho para o sinal óptico de saída

correspondente ao canal de 1310 nm com largura do laser igual a 1 GHz para várias atenuações

(menor atenuação corresponde a maior potência recebida), respectivamente para Taxas de Bits

de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps. A partir da Figura (5.10) veriﬁca-se

que, conforme esperado, para largura do laser igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310

nm melhora à medida que aumenta a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1 Gbps. Nota-se também

que o desempenho piora à medida que aumenta a atenuação (diminui a potência recebida).

Observando a Figura (5.11) veriﬁca-se que, conforme esperado, para largura do laser

igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm piora à medida que aumenta a taxa de bits

na faixa de 2,5 a 10 Gbps. Como no caso anterior, o desempenho piora à medida que aumenta

a atenuação (diminui a potência recebida).

Nas Figuras (5.12) e (5.13) são mostrados os Diagramas de Olho para o sinal óptico

de saída correspondente ao canal de 1550 nm com largura do laser igual a 1 GHz para várias

atenuações, respectivamente para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5

e 10 Gbps. Observa-se um comportamento semelhante ao do canal de 1310 nm.

Nota-se também, conforme esperado, que para taxas de bits na faixa de 2,5 a 10 Gbps,

o desempenho do canal de 1550 nm é mais sensível à variação da taxa de bits e menos sensível

à variação da potência recebida em comparação com o desempenho do canal de 1310.

0,25 Gbps 0,5 Gbps 1 Gbps

Figura 5.10: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz com

atenuações de 0, 3 e 6 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps.

2,5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps

Figura 5.11: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz com

atenuações de 0, 3 e 6 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps.

0,25 Gbps 0,5 Gbps 1 Gbps

Figura 5.12: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz com

atenuações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps.

2,5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps

Figura 5.13: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1GHz com atenu-

ações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps.

5.1.4 BER em função do Comprimento da Fibra para várias Taxas De

Bits

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação do comprimento da ﬁbra óptica para diferentes taxas de

bits. Nas Figuras (5.14) e (5.15) são mostrados os resultados obtidos utilizando-se respectiva-

mente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em ambos os canais.

Observando a Figura (5.14) veriﬁca-se para ambos os canais que a BER aumenta à

medida que o comprimento da ﬁbra aumenta. Nota-se também que, mantendo ﬁxo o valor do

comprimento, a BER não varia signiﬁcativamente com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25

Gbps. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta com a taxa de bits para ambos os canais,

sendo esse efeito novamente mais pronunciado para o canal de 1550 nm, embora o desempenho

do canal de 1550 mantenha-se sempre melhor do que o do canal de 1310 nm.

Comparando as Figuras (5.14) e (5.15) veriﬁca-se que, mantendo o comprimento da

ﬁbra ﬁxo, a BER diminui com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps quando a largura dos

lasers passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER

não varia signiﬁcativamente com a taxa de bits para o canal de 1310 nm e aumenta com a taxa

de bits para o canal de 1550 nm. Nota-se novamente a ocorrência de um cruzamento das curvas

correspondentes a taxas de bits de 2,5 e 5,0 Gbps, desta vez para o canal de 1550 nm, indicando

a existência de um ponto de mínimo na curva BER x Taxa de bits, cuja posição deve depender

do comprimento da ﬁbra.

A Tabela (5.6) mostra os valores utilizados para os parâmetros principais.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz

Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz

Potência Laser 0,05 mW e 0,035 mW

Taxa de Bit 0,25 Gbps até 1,25 Gbps (5 curvas)

2,5 Gbps até 12,5 Gbps (5 curvas)

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 dBm

Atenuação de Entrada 1550 nm 0 dBm

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (55 pontos)

Perda por Inserção 1,3 dBm

Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km

Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km

Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km

Dispersão 1550 nm 17,38.10

−6

ps/nm.km

Tabela 5.6: Parâmetros utilizados na simulação: BER em função do Comprimento da Fibra para

várias Taxas de Bits.

(a) (b)

Figura 5.14: BER x Comprimento (Largura dos lasers de 50 MHz): (a) Potência 0,05 mW/Taxa

de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 0,25 a

1,25Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,035 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal

de 1310 nm; (d) Potência 0,035 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm.

(a) (b)

Figura 5.15: BER x Comprimento (Largura dos Lasers de 1 GHz): (a) Potência 0,05 mW/Taxa

de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 0,25 a

1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal

de 1310 nm; (d) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm.

Nas Figuras (5.16) e (5.17) são mostrados os Diagramas de Olho para o sinal óptico

de saída correspondente ao canal de 1310 nm com largura do laser igual a 1 GHz para vários

comprimentos da ﬁbra óptica, respectivamente para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas

de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps.

Observando a Figura (5.16) veriﬁca-se que, conforme esperado, para largura do laser

igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm melhora à medida que aumenta a taxa de bits

na faixa de 0,25 a 1 Gbps. Nota-se também que o desempenho piora signiﬁcativamente à medida

que aumenta o comprimento da ﬁbra, com o olho fechando-se totalmente para comprimento

igual a 100 km. A partir da Figura (5.17) veriﬁca-se que, conforme esperado, para largura do

laser igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm não varia signiﬁcativamente com a taxa

de bits na faixa de 2,5 a 10 Gbps. Como no caso anterior, o desempenho piora à medida que

aumenta o comprimento da ﬁbra.

Os Diagramas de Olho (Figuras 5.18 e 5.19), mostram o sinal óptico de saída corres-

pondente ao canal de 1550 nm com largura do laser igual a 1 GHz para vários comprimentos da

ﬁbra óptica, para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps.

Observa-se que na faixa de 0,25 a 1 Gbps o comportamento do canal de 1550 nm é

semelhante ao do canal de 1310 nm, embora um pouco menos sensível à variação da taxa de

bits. Na faixa de 2,5 a 10 Gbps o desempenho piora à medida que aumenta a taxa de bits e/ou

aumenta o comprimento da ﬁbra.

0,25 Gbps 0,5 Gbps 1 Gbps

Figura 5.16: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz com

comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25,

0,5 e 1 Gbps.

2,5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps

Figura 5.17: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz com

comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5

e 10 Gbps.

0,25 Gbps 0,5 Gbps 1 Gbps

Figura 5.18: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz com

comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25,

0,5 e 1 Gbps.

2,5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps

Figura 5.19: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz com

comprimentos de ﬁbra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5

e 10 Gbps.

5.1.5 BER em função da Taxa de Bits para várias Larguras

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação da Taxa de Bits para diferentes larguras dos lasers. Na

Figura (5.20) são mostrados os resultados obtidos.

Observando a Figura (5.20) veriﬁca-se para ambos os canais que, conforme indicado

pelos resultados das simulações 5.1.3 e 5.1.4, inicialmente a BER diminui à medida que a taxa

de bits aumenta, atingindo um valor mínimo a partir do qual passa a aumentar. O valor desse

mínimo aumenta com a largura do laser e diminui com o comprimento da ﬁbra, situando-se no

caso das simulações realizada entre 1 a 5 Gbps. A Tabela (5.7) mostra os parâmetros utilizados.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz até 1,05 GHz

Largura do Laser 1550 nm 50 MHz até 1,05 GHz

Potência Laser 0,035 mW para 10 km e 0,25 mW para 50 km

Taxa de Bit 0,25 Gbps até 12,5 Gbps (5 curvas)

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 dBm

Atenuação de Entrada 1550 nm 0 dBm

Comprimento da Fibra 10 e 50 km

Perda por Inserção 1,3 dBm

Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km

Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km

Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km

Dispersão 1550 nm 17,38.10

−6

ps/nm.km

Tabela 5.7: Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Taxa de Bits para várias

Larguras.

(a) (b)

Figura 5.20: BER x Taxa de Bits (Largura dos lasers de 50 MHz até 1,05 GHz): (a) Enlace de

50 km / 0,25 mW de Potência / Canal de 1310 nm ; (b) Enlace de 50 km / 0,25 mW de Potência

/ Canal de 1550 nm; (c) Enlace de 10 km / 0,035 mW de Potência / Canal de 1310 nm; (d)

Enlace de 10 km / 0,035 mW de Potência / Canal de 1550 nm.

100

Nas Figuras (5.21) e (5.22) são mostrados os Diagramas de Olho para o sinal óptico

de saída correspondente ao canal de 1310 nm para várias taxas de bits e larguras do laser,

respectivamente para valores do comprimento da ﬁbra de 10 km e 50 km. Observa-se que,

conforme esperado, a partir da largura do laser igual a 0,55 MHz o desempenho de ambos os

canais melhora quando a taxa de bits passa de 0,25 a 5 Gbps e piora novamente quando a taxa

de bits passa para 12,5 Gbps.

Nas Figuras (5.23) e (5.24) são mostrados os Diagramas de Olho para o sinal óptico

de saída correspondente ao canal de 1550 nm para várias taxas de bits e larguras do laser,

respectivamente para comprimentos de ﬁbra de 10 km e 50 km.

101

0,25 Gbps 5,0 Gbps 12,5 Gbps

Figura 5.21: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 10 km com larguras

do laser de 50 MHz, 0.55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e

12,5 Gbps.

102

0,25 Gbps 5,0 Gbps 12,5 Gbps

Figura 5.22: Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 50 km com larguras

do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e

12,5 Gbps.

103

0,25 Gbps 5,0 Gbps 12,5 Gbps

Figura 5.23: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 10 km com larguras

do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e

12,5 Gbps.

104

0,25 Gbps 5,0 Gbps 12,5 Gbps

Figura 5.24: Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 50 km com larguras

do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e

12,5 Gbps.

105

5.2 Dynamic Data Sheet (DDS) e VPIplayer

O VPIplayer é um software gratuito e distribuído livremente que permite executar si-

mulações em fotônica em qualquer computador com plataforma Windows (VPI, 2007b). Os

aplicativos, denominados dynamicDataSheet (DDS), são gerados salvando-se simulações cria-

das com o VPItransmissionMaker no formato VPIplayer.

Analogamente aos aplicativos criados com o VPItransmissionMaker, os DDS contêm

parâmetros para manipulação/conﬁguração, processam ma simulação e exibem resultados em

interfaces correspondentes a osciloscópios, analisadores de espectros (OSA), histogramas, es-

feras de Poincaré e gráﬁcos XY.

A Figura (5.25) apresenta o DDS gerado a partir do aplicativo utilizado para simulação

do sistema WDM de dois canais descrito anteriormente.

Figura 5.25: DDS para simulação do sistema WDM de dois canais.

Este DDS pode ser incorporado ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem, de modo

que os estudantes possam acessá-lo durante a realização de atividades envolvendo o WebLab.

106

6 EXPERIMENTO PARA CARACTERIZAÇÃO DE UM

SISTEMA WDM DE DOIS CANAIS

6.1 Descrição da Montagem Experimental

As Figuras (6.1 e 6.2) mostram respectivamente um diagrama e uma fotograﬁa da

montagem experimental utilizada para a implementação do WebLab.

Figura 6.1: Diagrama da Montagem Experimental utilizada para a Caracterização de um Sis-

tema WDM de Dois Canais.

Figura 6.2: Foto da Montagem Experimental utilizada para a Caracterização de um Sistema

WDM de Dois Canais.

107

São utilizados dois Diodos Laser com comprimentos de onda λ

= 1310 nm e λ

1550 nm. Os sinais de entrada são acoplados utilizando-se um acoplador WDM 1310/1550 nm

(MUX). Após a multiplexação, o sinal composto propaga-se através de uma ﬁbra óptica mono-

modo e é demultiplexado por um segundo acoplador WDM (DEMUX). Após a demultiplexa-

ção, os sinais de saída componentes são enviados a uma chave óptica 2 X 8, permitindo analisar

os espectros e formas de onda correspondentes a cada canal utilizando-se respectivamente um

Analisador de Espectro Óptico (Optical Spectral Analyser - OSA) e um Osciloscópio.

Com o objetivo de analisar o comportamento do sistema WDM e seus efeitos inerentes

à multiplexação/demultiplexação, os lasers são modulados diretamente com sinais analógicos

de diferentes amplitudes e freqüências a partir de uma portadora fornecida por um Gerador de

Sinais que produz sinais de modulação senoidais na banda LF (Low Frequence). Os sinais de

modulação são adicionados ao sinal DC (bias) fornecido pelos drivers de corrente do laser, de

modo que a potência óptica de saída é dada por:

P(t) = P

[1+ m sin(ωt)] (6.1)

onde P

é a potência óptica de saída do laser sem modulação, ω é a freqüência de modulação e

m é o fator de modulação, deﬁnido por

m =

∆I

(6.2)

onde I

= I

−I

é o ponto de bias, sendo I

a corrente de operação (DC) e I

a corrente

de limiar (threshold), e ∆I é a amplitude da corrente de modulação (a partir do ponto de bias),

conforme mostra a Figura 6.3.

108

Figura 6.3: Modulação analógica direta da corrente dos lasers com sinais senoidais LF.

Utilizando essa montagem, foram realizadas as seguintes medidas:

• Determinação das Curvas L-I e Espectros dos Lasers de 1310 nm e 1550 nm.

• Análise das formas de onda e espectros dos sinais ópticos de entrada e saída com modu-

lação analógica direta de corrente.

• Determinação das Curvas de Resposta em Freqüência.

Os equipamentos utilizados são descritos a seguir.

• Lasers: São utilizados dois Diodos Laser tipo Fabry-Perot, operando na faixa de 1310 nm

e 1550 nm, da NEWPORT Modelos LD-1310-31B e LD-1550-21B. A corrente máxima

permitida é de 25,5 mA, com threshold nominal de 11 mA.

• Driver de Corrente: Foram utilizados dois Drivers de Corrente da NEWPORT Modelo

500. Os Drivers fornecem uma entrada BNC MOD/External Input para a modulação da

corrente. O intervalo de correntes pode ser ajustado nas escalas de 0 a 50 mA (função

de transferência igual a 5 mA/V) ou de 0 a 100 mA (função de transferência igual a 10

109

mA/V). O modo de operação com relação à modulação da corrente é conﬁgurado pelas

chaves I (”Corrente Constante”) ou P (”Potência Óptica Constante”). A largura de banda

de operação do Laser é conﬁgurada por uma chave na parte traseira do Driver.

• Gerador de Sinais: Foi utilizado um gerador de sinais da ROHDE&SCHWARZ Mo-

delo SML 01, equipado com porta serial RS-232 e IEEE 488.1 (GPIB). Os padrões (si-

nais) produzidos são formas de onda senoidais de freqüências LF (Low Frequence) e RF

(ROHDE&SCHWARZ, 2007) na faixa de freqüências de 9 kHz a 1.1 GHz.

• Acopladores WDM: São utilizados dois acopladores de ﬁbra fundida WDM 1310/1550

nm da OPTOLINK com ﬁbra padrão ITU-T G652, perda por inserção média de 1,3 dBm

e largura de banda de 20 nm (OPTOLINK, 2007).

• Fibra Óptica: Foi utilizada uma ﬁbra óptica mono-modo padrão de 3,5 km.

• Chave Óptica: Foi utilizada uma chave ótpica 2x8 da ANRITSU (ANRITSU, 2007) Mo-

delo MN9672A com suporte a GPIB, USB e Ethernet.

• Fotodetector: Foi utilizado um fotodetector do tipo PIN da NEWPORT (NEWPORT,

2007) Modelo 818-BB-21 com freqüência de operação 0,3 até 1,1 µm.

• OSA: Foi utilizado um analisador de espectro óptico da AGILENT Modelo HP 86142A,

que trabalha com uma faixa de comprimento de onda de 600 nm a 1700 nm, com uma

resolução de largura de banda de 0,06 nm, potência máxima de 3 dBm e possui interfaces

de controle GPIB e Ethernet (AGILENT, 2004).

• Osciloscópio: Foi utilizado um osciloscópio da AGILENT Modelo DSO 6104A de lar-

gura de banda de 1 GHz, taxa de amostragem máxima de 4GHz/s e 4-canais DSO (Digital

Storage Oscilloscope). Além disso, possui portas USB, LAN e GPIB para impressão, có-

pia de segurança, compartilhamento de recursos via rede e instrumentação remota (AGI-

LENT, 2005).

110

6.2 Caracterização do Lasers

Esta seção apresenta três conjuntos de medidas realizadas para a caracterização dos

lasers de 1310 nm e 1550 nm utilizados na geração dos sinais de entrada no sistema WDM

de dois canais: (1) Determinação das Curvas Características (L-I) e Espectros; (2) Análise

das formas de onda e espectros com modulação direta; (3) Curva de Resposta em Freqüência.

Essas medidas têm como objetivo possibilitar a análise do desempenho do sistema, através da

comparação entre os resultados obtidos para os sinais de entrada e os resultados correspondentes

obtidos para os canais de transmissão.

6.2.1 Curvas L-I e Espectros

Para se deﬁnir as características de operação de um laser é comum utilizar a Curva L-I

(Potência Óptica de Saída x Corrente). Na Figura 6.4 são mostradas as curvas L-I obtidas para

os lasers utilizados.

Figura 6.4: Curvas Características dos Lasers (L-I).

111

Na Tabela 6.1 são mostrados os valores da corrente de threshold (I

) e corrente má-

xima (I

max

) obtidos a partir da curva L-I para cada laser, bem como os valores da correntes de

operação (I

) ﬁxados para a execução dos experimentos remotos.

Diodo Laser (nm) I

(mA) I

max

(mA) I

(mA)

1550 10 38 21,3

1310 10 28 17,5

Tabela 6.1: Parâmetros dos Lasers.

Os valores de I

=10 mA indica o limiar de separação entre as regiões de emissão

espontânea e emissão estimulada dos lasers. Os valores I

max

=38 mA para o canal de 1550

nm e I

max

=28 mA para o canal de 1310 nm correspondem ao limite de resposta devido ao

aquecimento da junção PN. As correntes de operações foram ﬁxadas em I

=21,3 mA para o

canal de 1550 nm e I

=17,5 mA para o canal de 1310 nm, uma vez que os drivers de corrente

utilizados não possuem interface para o controle remoto. Em ambos os casos a potência óptica

de saída obtida é  1 mW. É importante observar que os valores ﬁxados para as correntes

de operação de cada laser situam-se próximos ao centros das respectivas regiões lineares de

operação, permitindo utilizar sinais de modulação com maior amplitude ∆I.

As Figuras (6.5 e 6.6) mostram respectivamente os espectros dos sinais ópticos de

saída dos lasers de 1310 nm e 1550 nm obtidos com o OSA e as Figuras (6.7 e 6.8) mostram

respectivamente as Curvas de Ganho e Modos correspondentes.

112

Figura 6.5: Espectro do Laser 1310 nm.

Figura 6.6: Espectro do Laser 1550 nm.

113

Figura 6.7: Curva de Ganho e Modos (1310 nm).

Figura 6.8: Curva de Ganho e Modos (1550 nm).

114

6.2.2 Modulação Direta de Corrente com Sinais Senoidais

Nas Figuras (6.9 e 6.10) são mostradas as formas de onda e espectros respectivamente

para os lasers de 1310 nm e 1550 nm modulados diretamente com um sinais senoidais de am-

plitude ∆V = 375 mV (∆I = 1,875 mA) e diferentes freqüências de modulação.

Observa-se que a potência óptica pico-a-pico, P

pico−a−pico

, diminui à medida que au-

menta a freqüência de modulação. Além disso, ocorre uma defasagem entre o sinal de mo-

dulação e o sinal óptico, que aumenta com a freqüência de modulação. À parte a diminuição

de potência, não se observa alteração signiﬁcativa dos espectros de ambos os lasers quando a

freqüência de modulação aumenta.

Nas Figuras (6.11 e 6.12) são mostradas as formas de onda e espectros respectivamente

para os lasers de 1310 nm e 1550 nm modulados diretamente com sinais senoidais de freqüência

150 kHz e diferentes amplitudes de modulação.

À parte o aumento esperado da potência óptica pico-a-pico, não se observa distorção

nas formas de onda e/ou alteração signiﬁcativa nos espectros de ambos os lasers à medida que

a amplitude de modulação aumenta, uma vez que para essas amplitudes os valores máximo e

mínimo da corrente situam-se na região linear de operação.

115

10 kHz 150 kHz 300 kHz

(a)

(b)

Figura 6.9: Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V = 375mV

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

116

10 kHz 150 kHz 300 kHz

(a)

(b)

Figura 6.10: Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V =

375 mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

117

100 mV 250 mV 300 mV

(a)

(b)

Figura 6.11: Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150 kHz

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

118

100 mV 250 mV 300 mV

(a)

(b)

Figura 6.12: Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150 kHz

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

119

6.2.3 Curva de Resposta em Freqüência

A medida da potência óptica P

pico−a−pico

em função da freqüência de modulação

(Curva de Resposta em Freqüência) permite analisar quantitativamente a resposta em freqüência

de um laser com modulação direta de corrente.

Nas Figuras (6.13a e 6.13b) são mostradas as Curvas de Resposta em Freqüência res-

pectivamente para os lasers de 1310 nm e 1550 nm, obtidas para tres valores diferentes de

corrente de operação I

= 17,5 mA, 20 mA e 25 mA. Para ambos os canais, a amplitude de

modulação foi ﬁxada em ∆V = 250 mV (∆I = 1,25 mA) e a freqüência de modulação variada

no intervalo de 10 kHz a 300 kHz.

(a) (b)

Figura 6.13: Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Laser de 1310 nm (b) Laser de 1550 nm.

A partir da Curva de Resposta em Freqüência, pode-se determinar a largura de banda

de modulação, deﬁnida como sendo o intervalo de freqüência de modulação ∆f para o qual a

potência óptica P

pico−a−pico

não varia mais do que 3 dBm (equivalente a um fator 2). Na Tabela

6.2 são mostradas as larguras de banda para os lasers utilizados, obtidas para as correntes de

operação I

= 17,5 mA,20 mA e 25 mA.

120

Observa-se que a largura de banda ∆f aumenta com a corrente de operação I

para

ambos os lasers.

(mA) ∆f (kHz): 1310 nm (mA) ∆f (kHz): 1550 nm (mA)

17,5 235 225

20,0 275 275

25,0 290 290

Tabela 6.2: Larguras de Banda para os lasers de 1310 nm e 1550 nm.

121

6.3 Caracterização dos Canais de Transmissão

Este conjunto de medidas, realizadas remotamente, permitiu caracterizar os canais de

transmissão (sinais na saída do DEMUX após a propagação através da ﬁbra óptica). Os valores

das correntes de operação para os lasers foram ﬁxados em I

1310

=17,5 mA e I

1550

=21,3 mA.

6.3.1 Espectros

As Figuras (6.14 e 6.15) mostram os espectros dos sinais ópticos DC (sem modulação)

para ambos os canais de transmissão.

Figura 6.14: Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1310 nm

Figura 6.15: Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1550 nm

122

A não ser pela atenuação em ambos os canais, não se observa alteração signiﬁcativa

dos espectros em relação aos obtidos para os sinais de entrada.

6.3.2 Modulação Direta de Corrente com Sinais Senoidais

Nas Figuras (6.16 e 6.17) são mostradas as formas de onda e espectros respectivamente

para os canais de transmissão de 1310 nm e 1550 nm, obtidas com sinais de entrada modulados

diretamente utilizando sinaissenoidais de amplitude ∆V = 375mV (∆I = 1,875mA)e diferentes

freqüências de modulação.

Analogamente ao que ocorre para os sinais de entrada, observa-se que a potência óptica

pico−a−picodos

sinais transmitidos, diminui à medida que aumenta a freqüência de modulação.

Com relação ao espectro, observa-se a diminuição esperada da potência. Além disso, nota-se

um pequeno alargamento do espectro do sinal transmitido de 1550 nm à medida que aumenta a

freqüência de modulação, o que não ocorre para o sinal transmitido de 1310 nm. Essa diferença

pode ser explicada considerando-se que o canal de 1550 nm a dispersão na ﬁbra óptica é de 

17,38.10

−6

ps/(nm.km) enquanto que para o canal de 1310 nm a dispersão é aproximadamente

nula.

Nas Figuras (6.18 e 6.19) são mostradas as formas de onda e espectros respectivamente

para os canais de transmissão de 1310 nm e 1550 nm, obtidas com sinais de entrada modula-

dos diretamente utilizando sinais senoidais de freqüência 150 kHz e diferentes amplitudes de

modulação.

Nesse caso, uma vez que a freqüência de modulação é mantida ﬁxa, a única alteração

é o aumento já esperado da potência óptica em ambos os canais.

123

10 kHz 150 kHz 300 kHz

(a)

(b)

Figura 6.16: Canal de Transmissão de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V = 375 mV

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

124

10 kHz 150 kHz 300 kHz

(a)

(b)

Figura 6.17: Canal de Transmissão de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V = 375 mV

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

125

100 mV 250 mV 375 mV

(a)

(b)

Figura 6.18: Canal de Transmissão de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150 kHz

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

126

100 mV 250 mV 375 mV

(a)

(b)

Figura 6.19: Canal de Transmissão de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150 kHz

(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros.

127

6.3.3 Curva de Resposta em Freqüência

Na Figura 6.20 são mostradas as Curvas de Resposta em Freqüência para os canais de

1310 nm e 1550 nm, com correntes de operação ﬁxadas respectivamente em I

1310

=17,5 mA e

1550

=21,3 mA. Para ambos os canais, a amplitude de modulação foi ﬁxada em ∆V = 250 mV

(∆I = 1, 25 mA) e a freqüência de modulação variada no intervalo de 10 kHz a 300 kHz.

(a) (b)

Figura 6.20: Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Canal de 1310 nm (b) Canal de 1550 nm.

A partir das Curvas de Resposta em Freqüência, foram determinadas as larguras de

banda de modulação para os canais de 1310 nm e 1550 nm, obtendo-se respectivamente os

valores ∆f

1310

 280 kHz e ∆f

1550

 300 kHz. Observa-se que ocorre em ambos os canais um

pequeno aumento da largura de banda com relação aos valores obtidos para os sinais de entrada

correspondentes, indicando uma queda de desempenho do sistema devida principalmente aos

efeitos de atenuação e dispersão na ﬁbra óptica.

128

7 INSTRUMENTOS VIRTUAIS

Neste capítulo são descritos os Instrumentos Virtuais (VI’s) desenvolvidos com o soft-

ware LabVIEW para a medida remota das características básicas de um sistema WDM de dois

canais (1310 nm e 1550 nm): drivers e interfaces gráﬁcas de usuário (GUI’s) para controle e

aquisição de dados dos instrumentos utilizados. Também é apresentada e discutida a arquite-

tura do sistema desenvolvido com o software LabVIEW para o WebLab, que permite otimizar

o processo de automação e execução remota do experimento.

7.1 Drivers e GUI’s para Controle e Aquisição de Dados dos Ins-

trumentos

Foram desenvolvidos drivers e GUI’s para o controle e aquisição de dados dos seguin-

tes instrumentos:

• Gerador de Sinais - ROHDE&SCHWARZ Modelo SML 01

• Chave Óptica - ANRITSU Modelo MN9672A

• Osciloscópio - AGILENT Modelo DSO 6104A

• Analisador de Espectro Óptico (OSA) - AGILENT Modelo 86142A

O desenvolvimento desses VI’s foi realizado em três fases distintas: (1) Teste de comu-

nicação com o equipamento; (2) Desenvolvimento da Interface de Controle (Front Panel); (3)

Integração da Interface de Controle (Front Panel) com os comandos em LabVIEW (Diagram

Block).

129

Na fase (1) é estabelecida a identiﬁcação do dispositivo via o barramento de comuni-

cação (GPIB, USB, ETHERNET) utilizando-se o aplicativo (Measure and Instruments) da NI.

Nesta fase, mensagens VISA de escrita/leitura são utilizadas para testar o equipamento.

Na fase (2), que pode ser deﬁnida como "peso-leve", é construído o Painel Frontal

(Front Panel) dos instrumentos. Nesta fase são utilizados (Clusters) de comandos (leitura/es-

crita), de modo a permitir uma melhor modularização do código na fase de integração. Final-

mente, na fase (3) é implementada a integração dos comandos dos instrumentos às GUI’s.

7.1.1 Gerador de Sinais

Na Figura (7.1) é mostrada a interface desenvolvida para o controle e aquisição de

dados do Gerador de Sinais.

Figura 7.1: Interface para o controle e aquisição de dados do Gerador de Sinais.

Nessa interface são apresentados dois tipos de painéis. O painel da direita permite que

o usuário selecione os parâmetros do Gerador: Status (On/Off), Amplitude e Freqüência de

modulação.

130

Os parâmetros de Amplitude (1 a 10 V) e Freqüência (10 kHz a 1 MHz) podem ser se-

lecionados inserindo-se diretamente os valores numéricos ou utilizando-se o knob. As unidades

de Amplitude (mV, V) e de Freqüência (H, kHz) são selecionadas a partir do menu drop-down.

No painel da esquerda são apresentados os valores atualizados dos parâmetros de ope-

ração do Gerador.

Conforme mostrado na Figura (7.2), o driver do Gerador de Sinais foi componentizado

em um Sub-VI.

Figura 7.2: Sub-VI do Gerador de Sinais.

Os parâmetros de entrada Set/Get (Sml) controlam as operações de escrita (Set) ou

leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informados

pelo parâmetro Controls (Signal Generator). Um Cluster de erro pode ser passado para o

equipamento a partir da entrada error in.

131

7.1.2 Chave Óptica

Na Figura (7.3) é mostrada a interface desenvolvida para o controle da Chave Óptica.

Figura 7.3: Interface para o controle da Chave Óptica.

O usuário seleciona o canal de entrada desejado para a medida através do botão COM.

Cada entrada está associada a um dos Lasers (COM1=Laser de 1310nm e COM2=Laser de

1550 nm). A legenda do lado direito exibe o canal selecionado. O canal de saída é selecionado

através dos botões ("<” ou ">”). Conforme mostrado na Figura (7.4), o driver da Chave Óptica

foi componentizado em um Sub-VI.

Figura 7.4: Sub-VI da Chave Óptica.

Os parâmetros de entrada ctr - IN controlam as operações de escrita no equipamento.

Os valores alterados no equipamento retornam no cluster de saída ctr - OUT.

132

7.1.3 Osciloscópio

Na Figura (7.5) é mostrada a interface desenvolvida para o controle e aquisição de

dados do Osciloscópio.

Figura 7.5: Interface para o controle e aquisição de dados do Osciloscópio.

O usuário deve selecionar a opção Run Control para iniciar a aquisição de dados ou a

opção Auto Scale, que inicializa automaticamente a aquisição de dados e conﬁgura o trigger do

Osciloscópio para o canal do gerador. O botão Trigger permite que o usuário selecione outro

canal para realizar o trigger.

Os controles analógicos permitem que o usuário selecione o canal a ser visualizado.

O canal 1 é destinado à entrada LF/BNC do Gerador de Sinal e o canal 2 é destinado ao sinal

óptico modulado na saída do Fotodetector (PIN). Para cada canal, os parâmetros de Vertical

Range e Vertical off-set podem ser selecionados inserindo-se diretamente os valores númericos

ou através dos knobs.

133

Conforme mostado na Figura (7.6), o driver do Osciloscópio foi componentizado em

um Sub-VI.

Figura 7.6: Sub-VI do Osciloscópio.

Os parâmetros de entrada Set/Get (Sml) controlam as operações de escrita (Set) ou

leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informados

pelo parâmetro Cluster Front Panel (in). O parâmetro Command indica o comando que se deseja

executar no driver. Os comandos válidos são: Auto Scale, Trigger, Channel, Vertical Range e

Vertical Off-Set. Esse parâmetro foi utilizado em função da existência de Race Condition nas

operações de leitura e escrita dos Clusters de entrada e saída. Alternativamente, um cluster de

erro pode ser passado para o equipamento a partir da entrada error in.

134

7.1.4 Analisador de Espectro Óptico (OSA)

Na Figura (7.7) é mostrada a interface desenvolvida para controle do OSA.

Figura 7.7: Interface para o controle e aquisição de dados do OSA.

O usuário tem a possibilidade de iniciar a aquisição de dados a partir do botão (Aqui-

sition On/Off), selecionar o comprimento de onda central, os valores de span das diversas com-

ponentes do sinal óptico, alterar os valores do modo/escala de operação (log ou linear) e exibir

a aquisição correspondente ao comprimento de onda central ajustado.

Conforme mostrado na Figura (7.8), o driver do OSA foi componentizado em um

Sub-VI.

Figura 7.8: Sub-VI do OSA.

135

Os parâmetros de entrada Set/Get (OSA) controlam as operações de escrita (Set) ou

leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informa-

dos pelo parâmetro Cluster Span/Center WL. O parâmetro Atenuador (dBm) indica o valor de

atenuação que será somado/subtraído ao sinal do OSA. O parâmetro Mode indica o modo de

operação (Linear ou Log). Durante processamento, o Sub-VI apresenta o resultado no indica-

dor Cluster Front Panel OSA. Valores de máximos e mínimos são atribuídos respectivamente

em Xmim,Ymim, Xmax e Ymax. Alternativamente, um Cluster de erro pode ser passado para o

equipamento a partir da entrada error in.

136

7.2 InterfaceGráﬁca de Usuário para Realização do Experimento.

A interface gráﬁca de usuário (GUI) para a realização do experimento é dividida em

duas guias: Análise dos Canais e Curva de Resposta em Freqüência.

A guia Análise dos Canais, mostrada na Figura (7.9), é utilizada para analisar quali-

tativamente as formas de onda e os espectros dos sinais ópticos transmitidos correspondentes a

cada canal (1310 ou 1550 nm), utilizando respectivamente o Osciloscópio ou o OSA.

Figura 7.9: Guia Análise dos Canais.

O usuário seleciona a freqüência e a amplitude do sinal de modulação a ser fornecido

pelo Gerador de Sinais, bem como o canal de entrada (1310 ou 1550 nm) e o canal de saída

(OSA ou Osciloscópio) utilizando o controle da Chave Óptica. Para iniciar a medida, o usuário

pressiona o botão Medir. No canto superior direito é exibida a forma de onda (Osciloscópio) ou

o espectro (OSA) do sinal óptico transmitido e no canto inferior direito é exibido um diagrama

indicando o status dos componentes durante a medida (indicadores em verde).

137

A guia Curva de Resposta em Freqüência é utilizada para medir a potência dos sinais

ópticos transmitidos correspondentes a cada canal (1310 ou 1550 nm) em função da freqüência

de modulação para uma dada amplitude de modulação, utilizando o Osciloscópio.

O usuário pode selecionar dois modos de operação: Manual ou Automático. No modo

Manual, o usuário executa as medidas uma por vez, selecionando um a um os valores de

freqüência de modulação a ser fornecido pelo Gerador de Sinais. No modo Automático, o usuá-

rio deﬁne previamente um intervalo de freqüências de modulação (valor inicial e valor ﬁnal) e

o valor do incremento (passo). Ao clicar no botão Iniciar Medida esses valores são inseridos na

tabela e as medidas são executadas automaticamente em seqüência.

Nas Figuras (7.10) e (7.11) são mostradas respectivamente as interfaces corresponden-

tes ao modos Manual e Automático.

Figura 7.10: Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Manual.

138

Figura 7.11: Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Automático.

Em ambas as interfaces, no canto superior direito é exibida a forma de onda do sinal

(Osciloscópio) e no canto inferior direito é exibida a curva de resposta em freqüência obtida.

139

7.3 Arquitetura do Sistema Desenvolvido

O sistema desenvolvido com o software LabVIEW para o WebLab descrito neste tra-

balho utiliza uma arquitetura baseada na combinação de dois tipos de Design Patterns da NI:

o State Machine Diagram e o Producer/Consumer (Events). Essa arquitetura reﬂete um mo-

delo recorrente da Teoria de Sistemas Operacionais (TANENBAUN; WOODHULL, 1997) e de

problemas computacionais que lidam com Race Conditions (CARR et al., 2005).

Conforme esquematizado na Figura (7.12), o sistema integra duas estruturas distintas e

interligadas que operam em conjunto: Máquina de Estados e Produtor/Consumidor (Eventos).

O ﬂuxo de dados entre as duas estruturas é estabelecido por meio de mensagens tipiﬁcadas em

Clusters/Controls.

Figura 7.12: Arquitetura do Sistema desenvolvido para o WebLab com o software LabVIEW .

A estrutura Máquina de Estados permite separar regras triviais - tais como inicializa-

ção, agrupamento de variáveis (botões, controles de edição e outros objetos visuais), conﬁgura-

ção das telas (GUI’s) de intrumentos e medidas - das operações de processamento e tratamento

de eventos do sistema.

140

A Figura (7.13) apresenta as principais transições da estrutura Máquina de Estados

implementada para o WebLab descrito neste trabalho.

Figura 7.13: Transições da Estrutura Máquina de Estados implementada para o WebLab.

À medida que transições válidas (reconhecidas) ocorrem, a Máquina de Estados evolui

para um novo grupo de processamentos. Cada grupo de processamento/tarefa é representado

por t

, onde i,0 <= i <= 7. Cada transição válida é dada pelos rótulos das setas de orientação

entre os balões (Initialize Variable, GUI, Manual Meansure, Remote Means, Setup OSA, Setup

OSC., Setup Switch, Setup Generator). A Máquina de Estados prevê dois tipos de terminado-

res (estados ﬁnalizadores): Init (balão verde) e Stop (balão vermelho). Cada transição default

mantém o processamento dentro do looping de eventos do processo local.

A estrutura Produtor/Consumidor (Eventos) permite a separação entre o tratamento de

eventos da interface e a alta taxa de processamento de instrumentos como o OSA e o Oscilos-

cópio.

141

A Figura (7.14) mostra um exemplo de Diagrama de Blocos correspondente à estrutura

Produtor/Consumidor (Eventos) implementada neste trabalho.

Figura 7.14: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Produtor para

Consumidor.

A parte superior do diagrama é um laço do tipo while, no qual o produtor recebe

e produz uma mensagem a partir de uma FILA previamente criada. Uma FILA é utilizada

em função da necessidade do produtor poder tratar um número arbitrário de eventos. Dessa

forma, o primeiro laço ﬁca esperando um evento ocorrer e, à medida que um evento ocorre,

um sinal é inserido na FILA e propagado para o laço consumidor. Como a FILA é uma região

compartilhada entre os dois laços, apenas um dos laços pode ler/escrever a cada operação. No

exemplo exibido na ﬁgura é passado um dado do tipo String, mas qualquer tipo de dado pode

ser passado.

142

Com o objetivo de minimizar o número de laços no Diagrama de Blocos e fornecer

um feedback para o processo produtor, o laço inferior (consumidor) foi ajustado para propagar

uma mensagem para o processo produtor. Essa mensagem é recuperada a partir do evento User

Event no laço produtor. Esse comportamento é apresentado na Figura (7.15).

Figura 7.15: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Consumidor para

Produtor.

Uma vez recuperada a mensagem no primeiro laço, um if pode ser utilizado para es-

colher a ação a ser executada e, se for o caso, disparar uma nova mensagem (inserir na FILA).

143

A Figura (7.16) mostra um trecho do código relativo à estrutura Produtor/Consumidor

(Eventos) para o comando de Auto Scale do Osciloscópio.

Figura 7.16: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Produtor para

Consumidor (Auto Scale do Osciloscópio).

O laço produtor possui uma estrutura do tipo stack sequence para deﬁnir a ordem de

operação. A primeira etapa na seqüência é conﬁgurar as FGV’s (Function Global Variables)

"Set Pan" e "OSC", ambas variáveis do tipo semáforo que são utilizadas para evitar Race Condi-

tion. A primeira, "Set Pan" , habilita ou não a escrita na variável que representa o Front Panel do

Osciloscópio. A segunda, "OSC" , interrompe o laço de aquisição do Osciloscópio caso esteja

em operação. Os controles do Front Panel (Auto Scale e Run Control) são ajustado para as op-

ções True e False na segunda etapa. A última fase de execução é montar (bundle) os comandos

Start Osciloscope e Auto Scale em um Cluster e inserir na FILA para o consumidor processar

os dois comandos. Ao receber o cluster com os dois comandos, o consumidor desmonta (un-

bundle) o conteúdo da FILA, veriﬁca o tipo de comando recebido e atualiza o equipamento.

144

É importante notar que os valores no display do Osciloscópio são atualizados apenas após o

consumidor disparar um evento do tipo Running para o produtor.

A utilização da arquitetura descrita acima possibilitou o desenvolvimento de um sis-

tema para o WebLab que apresenta boas práticas de programação (Escalável, Legível e Mante-

nível), além do tratamento rápido de eventos e/ou alta taxa de processamento entre um grande

número de instrumentos, permitindo otimizar o processo de automação e execução remota do

experimento.

145

8 CONCLUSÃO

Neste trabalho foi desenvolvido um WebLab para o estudo e caracterização de um sis-

tema WDM de dois canais (1310 nm e 1550 nm), destinado a apoiar e complementar atividades

em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. O WebLab é integrado a um

ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado com o software MOODLE, através de

um novo módulo de atividades, denominado Módulo WebLab, desenvolvido pelo grupo do La-

boratório e Fotônica Mackenzie utilizando-se scripts PHP e componentes do próprio ambiente

MOODLE.

Visando ganhar maior familiaridade com a montagem do sistema WDM de dois ca-

nais (1310 nm e 1550 nm) utilizada no experimento remoto implementado, foram realizadas

simulações da medida da BER do sistema utilizando-se o software VPI. Essas simulações per-

mitiram analisar a inﬂuência dos parâmetros e características do sistema com relação à qua-

lidade dos sinais transmitidos, através da medida da Taxa de Erro de Bits (BER). A partir do

aplicativo de simulação desenvolvido com o software VPI, foi gerado um dynamicDataSheet

(DDS) utilizando-se o software VPIplayer. Esse aplicativo foi incorporado ao ambiente virtual

de ensino-aprendizagem, permitindo a realização de simulações mesmo por usuários que não

possuem o software VPI instalado em seus computadores.

Para a realização dos experimentos remotos foram desenvolvidos drivers e interfaces

gráﬁcas de usuário (GUI’s) com o software LabVIEW , utilizando-se uma arquitetura baseada

na combinação de dois tipos de Design Patterns da NI: o State Machine Diagram e o Produ-

cer/Consumer (Events). Essa arquitetura possibilitou o desenvolvimento de um sistema para

o WebLab que permite a separação entre o tratamento de eventos da interface e a alta taxa

146

de processamento de instrumentos como o OSA e o Osciloscópio, otimizando o processo de

automação e execução remota do experimento.

Foram realizadas medidas locais para a caracterização dos lasers utilizados no sistema

e medidas remotas para análise qualitativa das formas de onda e espectros dos sinais ópticos

transmitidos com modulação analógica direta de corrente dos lasers e para determinação das

Curvas de Resposta em Freqüência em cada canal. A principal difuculdade encontrada refere-

se à limitação de opções dos equipamentos utilizados. Futuramente pretende-se incorporar

equipamentos mais soﬁsticados, possibilitando uma caracterização mais completa do sistema.

147

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