O primeiro passo no desenvolvimento de um sistema de comunica¸c˜ao ´optico ´e decidir como converter o sinal el´etrico em um fluxo de dados ´optico. Normalmente, modula-se a sa´ıda da fonte ´optica - que pode ser um laser, por exemplo - diretamente com a amplitude do sinal bin´ario el´etrico ou utilizando um modulador externo. Nos sistemas de curto alcance atuais, a primeira op¸c˜ao ´e a mais comum, embora o uso de moduladores externos venha se tornando cada dia mais necess´ario. Isso porque a modula¸c˜ao direta ´e mais simples e barata, pois dispensa o uso do modulador. A desvantagem ´e que isso causa um chirp no sinal transmitido, tornando-o mais suscet´ıvel a efeitos de dispers˜ao crom´atica.
No caso da transmiss˜ao de um sinal bin´ario, existem duas possibilidades para o formato do sinal ´optico de sa´ıda: o formato retorna a zero (return-to-zero - NRZ) e o n˜ao retorna a zero (nonreturn-to-zero - NRZ). No formato RZ, conforme mostra a Figura 3.1b, cada pulso ´optico representando um bit 1 ´e menor que o tempo de bit, pois sua amplitude retorna a zero antes do final da dura¸c˜ao total do bit. J´a no formato NRZ, representado na Figura 3.1a, o pulso ´optico representando o bit 1 se mant´em em seu valor m´aximo por toda a dura¸c˜ao do bit e n˜ao retorna a zero entre dois ou
0 1 2 3 4 0 0,5 1 1,5 Tempo de bit (Tb) Amplitude Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 1 (a) NRZ 0 1 2 3 4 0 0,5 1 1,5 Tempo de bit (Tb) Amplitude Bit 4 Bit 2 Bit 3 Bit 1 (b) RZ
Figura 3.1: Sequˆencia bin´aria 0110 para formas de onda (a) NRZ e (b) RZ.
mais bits 1 consecutivos. Logo, a largura do bit ir´a depender do formato escolhido, visto que no RZ o pulso deve ser mais r´apido. Uma vantagem do formato NRZ ´e que a banda associada ao fluxo de bits ´e menor que a requerida pelo formato RZ por um fator por volta de 2, simplesmente porque as transi¸c˜oes de amplitude ocorrem com menor frequˆencia. Por conta disso, o formato mais utilizado ´e o NRZ.
Uma escolha importante ´e em qual parˆametro da portadora ´optica colocar os dados. O vetor campo el´etrico E(t) da portadora ´optica antes da modula¸c˜ao tem a forma
E(t) = ˆeA(t)cos[ω(t)t + φ(t)], (3.1) em que ˆe ´e o vetor unit´ario de polariza¸c˜ao e A, ωo e φ s˜ao respectivamente a amplitude,
a frequˆencia angular e a fase da portadora. Quaisquer desses argumentos podem conter os dados a serem transmitidos. Por exemplo, se o sinal for anal´ogico, modular a in- forma¸c˜ao na amplitude, frequˆencia ou fase da portadora cria sinais com modula¸c˜ao de amplitude (amplitude modulation - AM), de frequˆencia (frequency modulation - FM) e de fase (phase modulation - PM), respectivamente. J´a para sinais digitais, a veicula¸c˜ao dos dados nessas mesmas grandezas d´a como resultado sinais com chaveamento por des- vio de amplitude (amplitude shift keying - ASK), de frequˆencia (frequency shift keying - FSK) e de fase (phase shift keying - PSK). ´E poss´ıvel tamb´em realizar uma modula¸c˜ao tanto em amplitude como em fase, com a t´ecnica modula¸c˜ao de amplitude em quadra- tura (quadrature amplitude modulation - QAM), que geralmente possui desempenho semelhante ou superior `as outras t´ecnicas mencionadas. Existe ainda a possibilidade de realizar uma modula¸c˜ao por chaveamento por desvio de polariza¸c˜ao (polarization shift keying - POLSK), em que se transmite o sinal em uma dada polariza¸c˜ao depen- dendo do dado a ser enviado. A t´ecnica mais simples, por´em, consiste em simplesmente se alterar a potˆencia do sinal transmitido entre dois n´ıveis, sendo um deles mantido
em zero, dependendo do bit de informa¸c˜ao que se deseja transmitir. Assim, a potˆencia Pin(t) do sinal ´optico de transmiss˜ao se torna:
Pin(t) =
{
A2
2 , se o bit for 1
0, se o bit for 0. (3.2)
Chama-se esse formato de modula¸c˜ao de chaveamento liga-desliga (on-off keying - OOK), refletindo sua natureza de ligar e desligar o laser dependendo do bit de in- forma¸c˜ao. Por sua simplicidade e baixo custo em rela¸c˜ao `as outras t´ecnicas, a mo- dula¸c˜ao OOK ´e a mais utilizada atualmente nos sistemas ´opticos, tanto nos de longa como nos de curta distˆancia. Esse cen´ario est´a mudando aos poucos, de acordo com o crescimento da demanda de banda da Internet. Os padr˜oes mais modernos, como 40GbE e 100GbE, devem utilizar formatos de modula¸c˜ao avan¸cados para aumentar a eficiˆencia espectral dos sinais ´opticos e assim atender a essa demanda.
Um formato de modula¸c˜ao promissor que tem recebido bastante aten¸c˜ao dos pes- quisadores nos ´ultimos anos ´e a multiplexa¸c˜ao por divis˜ao em frequˆencias ortogonais (orthogonal frequency division multiplexing - OFDM). Ela ´e muito utilizada em sis- temas de comunica¸c˜ao sem fio por combater eficientemente a dispers˜ao por m´ultiplos caminhos inerente a esse tipo de canal. Isso ´e poss´ıvel pois o s´ımbolo OFDM tem uma dura¸c˜ao maior que a dura¸c˜ao do canal, ou seja, maior que a diferen¸ca entre os atrasos das diferentes vers˜oes do sinal transmitido que chegam ao receptor. Assim, teoricamente, n˜ao h´a interferˆencia intersimb´olica e a equaliza¸c˜ao do sinal se torna sim- ples. Analogamente, a OFDM ´e uma poss´ıvel solu¸c˜ao para os diversos fenˆomenos de dispers˜ao causados por uma fibra ´optica. Para um enlace de longa distˆancia de fibra monomodo, pode-se utilizar a OFDM como forma de onda do campo el´etrico trans- mitido para combater a dispers˜ao crom´atica. Da mesma forma, em enlaces de curta distˆancia de fibra multimodo, a potˆencia ´optica do sinal de sa´ıda pode tomar a forma de um sinal OFDM, sendo poss´ıvel evitar a interferˆencia intersimb´olica causada pela dis- pers˜ao modal. Essas configura¸c˜oes para os enlaces de fibras monomodo e multimodo s˜ao necess´arias pois o canal em cada caso ´e linear no campo el´etrico e na potˆencia, respectivamente.
Outro formato de modula¸c˜ao que tem recebido bastante aten¸c˜ao ´e a modula¸c˜ao de portadora ´unica com equaliza¸c˜ao no dom´ınio da frequˆencia (single carrier frequency domain equalization - SC-FDE), cuja an´alise de desempenho em sistemas ´opticos ´e um dos objetivos deste trabalho. Por essa raz˜ao, descreveremos a SC-FDE com maior detalhes no Cap´ıtulo 4.
Śʆ
ϭ
Ϯ (a)
Śʆ
ϭ
Ϯ (b)
Śʆ
ϭ
Ϯ
Śʆ
Śʆ
(c)Figura 3.2: Fenˆomenos de (a) absor¸c˜ao de um f´oton, (b) emiss˜ao espontˆanea e (c) emiss˜ao estimulada.