Aspectos metrológicos nos sistemas de comunicação óptica
Este artigo apresenta um panorama geral do sistema de telecomunicações por fibra óptica em uma perspectiva dos cuidados metrológicos envolvidos em sua operação.
Antônio Francisco Gentil Ferreira Junior e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
Apesar da comunicação sem fio ser popular entre os consumidores finais para o acesso à Internet, a banda larga fixa ainda segue crescendo no Brasil. Em julho de 2023, o número de acessos à banda aumentou mais de 5%, comparado ao mesmo período do ano anterior, alcançando o número de 46,6 milhões.
A maior parcela dos acessos à banda larga fixa é decorrente do uso de fibras ópticas, garantindo o primeiro lugar entre todas as tecnologias disponíveis com uma boa folga, já que ela representa 72,7 % dos acessos à rede, conforme demonstrada na figura 1.
Ainda hoje, a fibra óptica continua sendo a tecnologia mais utilizada para o tráfego de informações devido às suas vantagens sobre outros métodos de transmissão, tais como:
- Longo alcance, sem necessidade de repetição (> 200 km).
- Perturbações eletromagnéticas não prejudicam a integridade do sinal óptico.
- A fibra óptica é mais leve e menor que cabos coaxiais, além de serem bastante flexíveis.
- O tempo de vida de uma fibra óptica pode durar mais que 25 anos.
- Termicamente, a fibra é bastante robusta, podendo ser utilizada em uma faixa ampla de temperatura (-40ºC a +80ºC).
- Sistemas ópticos fornecem maior capacidade de transmissão, podendo chegar a taxas acima de 25 terabits por segundo.
Para a implementação adequada de um sistema de comunicação via fibra óptica há uma série de padrões e recomendações que devem ser seguidas, tais como a IEC – International Electrotechnical Comission e a ITU -International Telecommunication Union.
A IEC é uma organização internacional que publica padrões para diversas tecnologias relacionadas às áreas de eletricidade e eletrônica, que, usualmente, servem como base para a padronização de diversos países. Dentro da IEC há diversos comitês que produzem documentos técnicos relacionados às fibras e cabos ópticos e componentes ativos e passivos utilizados em sistemas de comunicação ópticas.
A ITU também é uma organização internacional e é composta por três setores: ITU-R – Radiocommunication Sector, ITU-T – Telecommunication Standardization Sector e ITU-D – Telecommunication Development Sector. Ela tem como objetivo definir linhas gerais, características técnicas e especificações de sistemas de telecomunicações, redes e serviços, inclusive medidas e testes de desempenho de fibras ópticas.
No Brasil, os sistemas de fibra óptica e seus dispositivos devem ser homologados pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) que, de forma geral, utiliza os padrões da IEC e ITU como referência para os ensaios necessários no processo da homologação.
Instrumentos de medição óptica
Em todo o processo que abrange desde a homologação de produtos, implementação e garantia do desempenho de um sistema óptico, os instrumentos de medição e testadores ópticos são necessários. Alguns dos instrumentos mais utilizados são:
- Medidores de potência óptica. Estes instrumentos são os mais comuns em diversos tipos de teste. Sua principal função é medir a potência incidente diretamente de transmissores ou após a transmissão pela fibra óptica do sistema. Estes medidores podem se diferenciar de acordo com o tipo de detector, permitindo melhor exatidão para comprimentos de onda específicos, e de acordo com linearidade, podendo variar entre +30 dBm e -70 dBm.
- Fontes de luz de referência. Estas fontes de luz fornecem uma potência estável no comprimento de onda a ser testado. Usualmente, elas são utilizadas em conjunto com medidores de potência óptica para medidas de atenuação.
- Atenuadores de referência. Este equipamento fornece um valor fixo ou variável de atenuação com a intenção de reduzir a potência óptica de forma estável e controlada. Um atenuador óptico é ideal para testes de sensibilidade.
- Medidores de perda de retorno óptico. A perda de retorno é um parâmetro que determina a qualidade de um sistema de fibra óptica. Valores altos de perda de retorno significam perda de eficiência no sistema. O método mais comum para essas medidas é o OTDR – Optical Time Domain Reflectometer.
- Medidores de comprimento de onda. Em sistemas ópticos tais como o DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing, a exatidão do comprimento de onda transmitido na fibra deve ser bastante alta e, portanto, há enorme importância na medida dessa grandeza. Usualmente, utiliza-se analisadores de espectro óptico ou medidores de comprimento de onda baseados no interferômetro de Michelson, possibilitando medidas com incerteza inferior a 1 parte por milhão (ppm).
Devido à criticidade das medidas de potência óptica e do comprimento de onda para os testes dos sistemas de comunicação óptica, a confiabilidade metrológica dessas medidas deve ser assegurada.
Rastreabilidade metrológica em medidas ópticas
A rastreabilidade primária de potência óptica realizada principalmente nos IMN – Institutos de Metrologia de Nacionais é assegura utilizado um radiômetro criogênico. O radiômetro criogênico pode ser considerado uma espécie de calorímetro com uma série de cuidados metrológicos adicionais. A figura 2 apresenta os aspectos construtivos do radiômetro criogênico desenvolvido pelo NIST, IMN dos EUA. O radiômetro é construído em uma série de câmaras de térmicas permitindo que na cavidade que envolve o receptor óptico esteja a uma temperatura estável e muito baixa de aproximadamente 5 K. A radiação óptica vem de um LASER estabilizado que atravessa as janelas ópticas do radiômetro e atingido a cavidade do radiômetro, promove a elevação de temperatura. A cavidade óptica possui um filme resistivo que dissipa uma potência elétrica para promover a mesma elevação de temperatura e assim determinar a potência óptica da radiação. Tanto a potência elétrica dissipada e o sistema de comparação de temperatura são controlados por uma eletrônica de precisão. Este processo de comparação a potência óptica pode ser medida com uma incerteza de 0.018% (LIVIGNI, 2003).
Outra grandeza fundamental para a rastreabilidade dentro da área de comunicações ópticas é o comprimento de onda da radiação. A rastreabilidade desta grandeza é realizada com o uso de células de absorção, que são células que possuem materiais gasosos como cianeto de hidrogênio e acetileno que promovem a absorção espectral. Estes materiais têm raias de absorção espectral na faixa espectral de telecomunicações que possuem incertezas ± 0.0006 nm (GILBERT, 2001) a figura 3 apresenta as raias de absorção características de padrão. Outras tecnologias com o pente de frequências se apresentam como alternativas para rastreabilidade do comprimento de onda, porém os custos são mais elevados na atual maturidade desta tecnologia (NEWBURY, 2008).
Referências
GILBERT, Sarah L.; SWANN, William C. ‘Acetylene 12C2H2 absorption reference for 1510 nm to 1540 nm wavelength calibration—SRM 2517a. NIST Special Publication, v. 260, n. 133, 2001.
LIVIGNI, David J. High accuracy laser power and energy meter calibration service. NIST Special Publication, v. 250, p. 62, 2003.
NEWBURY, Nathan R. et al. Fiber lasers for frequency standards in optical communications. In: Optical Fiber Communication Conference. Optica Publishing Group, 2008. p. OThF3.
