Redes de alta velocidade

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Redes de alta velocidade

• Rede ópticas
• Sistemas de transmissão

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Redes ópticas

• Estrutura
• As redes óticas são formadas por alguns
  componentes básicos, dentre eles, podemos citar
• o transmissor ótico
• o receptor ótico
• a fibra ótica
• Amplificadores de linha.
• Multiplexador óptico
• Conexão cruzada
• Unidade transponder
• Unidade compensadora de dispersão.
• acoplamentos e conexões.

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Redes ópticas

• Estrutura

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Redes ópticas

• Estrutura
• Equipamento terminal
• Transmissor e receptor
• É o equipamento que possibilita a inserção ou
  retirada de todos os comprimentos de onda do
  sistema, através das unidades Multiplexadoras/Demu
  ltiplexadoras ópticas, constituindo-se assim na
  porta de entrada e de saída da rede. Nesse
  equipamento, todos os sinais ópticos são
  convertidos para sinais elétricos, a fim de
  permitir sua regeneração.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• O transmissor óptico é composto por um
  dispositivo emissor de luz e o circuito driver
  associado. O dispositivo emissor de luz, elemento
  ativo básico do sistema, é o responsável pela
  tarefa de conversão eletro- óptica dos sinais.
  Dois tipos de dispositivos são comumente
  utilizados como fontes luminosas em sistemas de
  transmissão por fibras ópticas os diodos laser
  (DLs) e os diodos eletrominescentes (LEDs).

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• O circuito driver tem funções de polarização
  elétrica e de comando da emissão de potência
  luminosa pelo dispositivo emissor de luz. A
  capacidade de transmissão (assim como a potência
  emitida por um transmissor óptico) é função do
  tipo de dispositivo emissor de luz utilizado,
  sendo os com diodo laser geralmente superiores
  aos com LEDs, a custo de uma maior complexidade
  do transmissor.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Problemas de transmissão
• Atenuação perdas do meio.
• Dispersão diferença de velocidade de propagação
  dos sinais.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Intermodal
• Cromática
• Por modo de polarização

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Intermodal Em fibras multimodo, cada modo
  percorre um distância diferente devido ao ângulo
  de propagação.
• limitação 155 Mbps em 2Km

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Cromática Cada cor (lambda) se propaga em uma
  velocidade diferente no meio. A solução seria o
  uso de fontes de espectro estreito (laser).

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Cromática
• Tipos de laser.
• MLM - multiple longitudinal mode - espectro
  amplo.
• SLM Single longitudinal mode espectro
  estreito

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Cromática
• Tipos de laser.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Transmissor Ótico     
• Tipos de dispersão
• Por modo de polarização caudas por
  irregularidades na geometria da fibra.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• A Fibra Óptica é um filamento cilíndrico muito
  longo, de diâmetro extremamente pequeno, de
  espessura aproximada de um fio de cabelo, o qual
  é predominantemente feito de vidro de sílica com
  alto grau de pureza.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Sendo o diâmetro da Fibra Óptica extremamente
  pequeno, uma luz que adentre nesta fibra
  experimentará o efeito espelho, será confinada,
  como mostrado na Figura e se propagará.
•  

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Este tipo de propagação deu origem a Fibra
  Multimodo, na qual, como o nome indica, vários
  Modos ou simplificadamente, vários Raios de Luz
  podem se propagar simultaneamente ao longo Fibra
  Óptica.
•  

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Vamos agora supor que, o diâmetro desta Fibra
  Óptica que já é pequeno, fosse ainda mais
  reduzido, de forma a permitir a passagem de
  somente um Modo ou Raio de Luz,
•  
• Neste caso temos a denominada Fibra Óptica
  Monomodo.
•  

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Corresponde ao meio onde a potência luminosa
  injetada pelo emissor de luz, é guiada e
  transmitida até o fotodetector.
• Existem dois tipos de fibra ótica
• multimodo
• monomodo.
•       

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• multimodo
• A Figura acima nos mostra a constituição de uma
  Fibra Óptica Multimodo. Onde podemos observar o
  revestimento, a casca e o núcleo.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica multimodo
• Como podemos ver a camada externa é denominada de
  Revestimento (R), em inglês Coating geralmente
  com diâmetro de 250 µm.
• Logo abaixo a Casca (C), em inglês Cladding com
  diâmetros de 125 ou 140 µm.
• E, no centro o Núcleo (N), em inglês Core que
  pode ser construído com diâmetros de 50 62,5
  82,5 ou 100 µm

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica multimodo
• Já se começou a fabricar Fibras Ópticas do tipo
  Multimodo, confeccionadas com plásticos
  especiais, usadas principalmente em LANs. A
  principal vantagem destas Fibras seria o baixo
  custo, quando comparado a outros tipo de Fibras
  usadas na referida aplicação.
• No caso das Fibras Ópticas do tipo Multimodo
  confeccionadas em Plástico especial, dotado de um
  de alto índice refração, o diâmetro (N) do Núcleo
  é geralmente da ordem de 1 000 µm.
•       

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica        
• A fibra multimodo
• Pode ser subdividida em dois outros grupos, a de
  índice degrau, e a de índice gradual (grade index
  e step index)
• A de índice degrau, possui índice e dimensões
  grandes, o que facilita a fabricação e
  manipulação, porém tem a capacidade de
  transmissão limitada. A variação do indice de
  refração entre core e cladding é acentuada.
• A de índice gradual, possui dimensões moderadas,
  o que permite uma conectividade relativamente
  simples. A variação do indice de refração entre
  core e cladding é feita de forma gradual.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• fibras monomodo
• Tem dimensões bastante pequenas, o que dificulta
  sua manipulação e conectividade. Porém possui uma
  vantagem em relação as fibras multimodo a alta
  taxa de transmissão.  

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica monomodo
• A Fibra Óptica Monomodo Comum (Standard
  Single-mode Fiber), foi desenvolvida inicialmente
  para a transmissão de sinais ópticos em 1310 nm
  (nanômetros). Obedece as normas G.652 da ITUT.
• Note que apesar das dimensões do Revestimento (R)
  e da Casca (C) serem aproximadamente iguais para
  as Fibras Ópticas Mono e Multimodos o diâmetro do
  Núcleo (N) da Fibra Óptica Monomodo é muito
  menor, da ordem de 3 a 8 µm.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica monomodo
• Como as dimensões tanto das Fibras Ópticas
  Multimodo e quanto das Fibra Óptica Monomodo são
  muito pequenas, é praticamente impossível
  distingui-las a olho nu. Na prática usa-se um
  microscópio portátil, entretanto deve se tomar
  cuidado com Fibras que estejam ativadas, pois a
  Radiação Luminosa que estas transportam, como já
  vimos, é invisível e como é altamente concentrada
  e intensa pode trazer danos permanentes ao olho
  humano.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica monomodo
•  
• Fibra Óptica Monomodo de Índice Degrau
•  
• Respeitadas as dimensões, a configuração
  geométrica do Núcleo da Fibra Óptica Monomodo de
  Índice Degrau é igual ao do Núcleo da Fibra
  Óptica Multimodo de Índice Degrau.
• Historicamente este tipo de Fibra Óptica
  Monomodo foi a primeira a ser comercialmente
  produzida.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica monomodo
•   
• Vantagens da Fibra Óptica Monomodo
•  
• Distâncias maiores e ilimitadas, quando
  comparadas as Fibras Ópticas Multimodo.
• Taxas de Transmissão muito mais altas (superiores
  a 160 Gbps) quando comparadas as Fibras Ópticas
  Multimodo.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica monomodo
•   
• Desvantagens da Fibra Óptica Monomodo
• Devido as dimensões do Núcleo da Fibra Óptica
  Monomodo serem extremamente reduzidas, isto torna
  difícil o alinhamento, que é o caso de emendas,
  conectores, etc.
• Alto custo, quando comparado á outros tipos de
  Fibra, não só da Fibra em si, mas também dos
  materiais agregados, como conectores, componentes
  eletrônicos e, outros.
•  

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Existem alguns fatores que influenciam
  negativamente a propagação de luz em uma Fibra
  Óptica. Um destes fatores é a chamada Perda por
  Absorção, que a seguir detalhamos.
• Perdas por absorção total
•  
• Define-se como Perdas por Absorção Total (Pat) a
  somatória das Perdas por Absorção
  Intrínseca(Pai), Extrínseca (Pae) e, por
  Alteração Atômica (Paa).
•  
• Pat Pai Pae Paa

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Perdas por Absorção Intrínseca
•  
• Devido à natureza do material utilizado para a
  construção da Fibra Óptica, comummente Sílica, as
  Perdas por Absorção Intrínseca são inferiores á
  0,003 dB por Km, para Comprimentos de
  Ondasituados entre 1300 á 1600 nm.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Perdas por Absorção Extrínseca
•  
• O material utilizado para a construção da Fibra
  Óptica pode conter impurezas. Um dos exemplos
  deste tipo de perda é a presença de íons do tipo
  Oxidrila (OH-), erroneamente chamado de atenuação
  pelo pico de água (Water Peak Attenuation).

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Perdas por Absorção por Alteração Atômica
• Em condições normais, as Perdas por Absorção por
  Alteração Atômica, são desprezíveis. Entretanto,
  quando uma Fibra Óptica Convencional é exposta
  uma radiação de alta intensidade, geralmente se
  verifica uma alteração na Estrutura Atômica do
  material utilizado para a construção desta Fibra
  Óptica e, desta forma, as Perdas por Absorção por
  Alteração Atômica podem ser muito significativas.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Atualmente existem vários tipos de fibras
  ópticas, com características diversas e que foram
  desenvolvidas conforme as necessidades de sua
  aplicação. Para todas elas, as duas
  características mais importantes a serem
  analisadas são
• Atenuação é a perda da intensidade luminosa ao
  longo da fibra, causada pelo próprio material da
  fibra e / ou por eventuais emendas, físicas ou
  mecânicas, existentes (medida em dB/Km)
• Dispersão é o espalhamento da luz ao longo da
  fibra, causado pela existência de diferentes
  comprimentos de onda no feixe de luz (medido em
  ps/nm.Km).

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• As fibras ópticas que vem sendo utilizadas nas
  redes de alta capacidade são
• Single Mode (SM - G.652 ITU-T)
• Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T)
• Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T)
• Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T)

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Single Mode (SM - G.652 ITU-T) é o tipo de fibra
  mais comum encontrada no mercado. Possui algumas
  limitações quando usada em sistemas de alta
  capacidade com maior concentração de comprimentos
  de ondas, pois possui elevado fator dispersão
  cromática. Entretanto, como essa fibra possui um
  núcleo com área maior do que os outros tipos de
  fibra óptica, seu uso se adapta bem a sistemas
  WDM com grande capacidade de comprimentos de onda.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T) é o tipo
  de fibra cuja dispersão é zero. Acreditava-se, em
  seu lançamento, que seria a fibra ideal para ser
  usada com sistemas WDM e SDH de alta capacidade.
  Porém, com a evolução desses sistemas e o
  conseqüente aumento da quantidade de comprimentos
  de onda (Lambdas), verificou-se que esta fibra
  possui limitações no tocante à dispersão
  cromática, o que diminuiu o seu uso.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T) é tipo
  de fibra que foi concebida para corrigir a
  limitação da fibra tipo DS, e cuja dispersão para
  a janela de 1550 nm é muito baixa em relação à
  fibra SM (18 ps.nm/km), porém não é zero (8
  ps.nm/km). Para obter esta redução do fator de
  dispersão cromática, o núcleo da fibra foi
  alterado para ter menor diâmetro. Sempre se
  acreditou que estas fibras seriam ideais para
  sistemas WDM com grande número de comprimentos de
  onda, porém com o passar do tempo e utilização em
  sistemas reais, verificou-se que o fato de ter a
  área de seu núcleo reduzida, impede sua
  utilização em sistemas de grande quantidade de
  comprimentos de onda (Lambdas).

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica
• Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T) é tipo de
  fibra onde os processos industriais de produção
  permitem a diminuição ou eliminação do efeito
  "pico d'água", permitindo que a faixa de 1400 nm
  seja utilizada para tráfego de sistemas ópticos.
  Isso otimiza o uso de equipamentos que atuam em
  toda a faixa, desde 1310nm até 1625nm.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Fibra Ótica

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Redes ópticas

• Estrutura
• Amplificador de Linha (ILA - "In Line Amplifier")
• Sua única função é a amplificação óptica do sinal
  proveniente de um equipamento terminal, tendo
  como principal característica a amplificação do
  sinal juntamente com o ruído, justamente por não
  converter o sinal óptico de entrada para o nível
  elétrico, impedindo assim a sua regeneração.
• O uso dos amplificadores de linha é justificado
  pela necessidade de amplificar o sinal óptico com
  todos os comprimentos de onda, a um custo menor,
  porém deve-se sempre levar em consideração a
  relação sinal / ruído existente. Quando este
  parâmetro atinge valores que impedem a correta
  detecção do sinal óptico original, prejudicando
  assim a qualidade de serviço, torna-se necessário
  usar outro tipo de equipamento que permita que
  esse sinal original possa ser regenerado.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Multiplexador Óptico (OADM - "Optical Add-Drop
  Multiplex")
• Este tipo de equipamento tem função dupla na
  rede. A primeira é a de permitir a inserção ou
  retirada de um determinado número de comprimentos
  de onda, os quais serão regenerados, permitindo
  assim a comercialização de serviços de
  telecomunicações nesse ponto da rede.
• A outra é a de amplificar o sinal total, ou seja,
  os comprimentos de onda (Lambdas) regenerados,
  que terão sua relação sinal / ruído corrigida, e
  os Lambdas passantes, que sofrerão a amplificação
  tanto do sinal quanto do ruído.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Equipamento Óptico de Conexão Cruzada (OXC -
  "Optical Cross-Connect")
• Este tipo de equipamento tem a função de realizar
  o roteamento de Lambdas em nível óptico,
  permitindo minimizar o número de equipamentos nas
  redes, diminuir os pontos de possíveis defeitos,
  além de otimizar o espaço ocupado nas estações.
• Apesar de ter sido concebido a partir de
  objetivos importantes para a otimização de redes
  devido ao seu alto custo atual este tipo de
  equipamento ainda não tem aplicação comercial.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Unidade Transponder
• Transponders regenerativos têm a finalidade de
  regenerar o sinal óptico da rede. A regeneração é
  feita convertendo o sinal de entrada para um
  sinal elétrico regenerado e sem ruído, e
  convertendo esse sinal elétrico novamente para um
  sinal óptico de saída (com comprimento de onda
  compatível com o plano de freqüência do ITU-T)
  que tem uma relação sinal / ruído
  significativamente melhor.
• Este tipo de equipamento tem também a função de
  realizar a adequação da freqüência do sinal de
  entrada para um sinal de saída compatível com o
  plano de freqüências

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Redes ópticas

• Estrutura
• Unidade Compensadora de Dispersão
• (DCU - "Dispersion Compensation Unit")
•  
• Este tipo de equipamento é composto por fibras
  ópticas com dispersão negativa e tem como
  objetivo a compensação da dispersão cromática de
  um trecho da rede de fibra óptica. O DCU pode ser
  utilizado em qualquer ponto da rede.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Tipos de equipamentos

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Redes ópticas

• Estrutura
• Receptor Ótico     
• É composto de um dispositivo fotodetector (ex.
  fotodiodo), responsável pela detecção e conversão
  de sinal luminoso em elétrico e de um estágio
  eletrônico de amplificação e filtragem.
•      Em geral, o processo de recepção, baseia-se
  na detecção da portadora luminosa pela contagem
  de fótons. Esta tecnologia é conhecida como
  detecção direta. Neste tipo de recepção, não é
  considerado características quanto a fase e
  polarização da portadora.
•      Existe também, a técnica de detecção
  coerente, que considera as características do
  sinal recebido, antes não analisadas pelo sistema
  de detecção direta.

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Redes ópticas

• Estrutura
• Receptor Ótico     
• O critério de seleção de um fotodetector inclui
  as seguintes análises
• alta confiabilidade
• operação em larga faixa de temperaturas
• baixo ruído
• faixa dinâmica larga
• baixo custo.

50
Redes ópticas

• Estrutura
• Receptor Ótico     
• Para que o sistema tenha o maior alcance
  possível, é necessário, portanto, que o
  fotodetector escolhido seja capaz de operar nos
  menores níveis possíveis de potência ótica,
  convertendo-a em corrente com o mínimo de
  distorção e ruído.

51
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões     
• O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos
  emissores de luz e fotodetectores é feito de
  forma a limitar as perdas por acoplamento.
•  A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos
  de fibras óticas pode ser realizado por emendas,
  o que o torna permanente ou, temporariamente, por
  meio de conectores mecânicos de precisão. Já as
  junções multiponto utilizam-se de acopladores.

52
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões     
• O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos
  emissores de luz e fotodetectores é feito de
  forma a limitar as perdas por acoplamento.
•  A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos
  de fibras óticas pode ser realizado por emendas,
  o que o torna permanente ou, temporariamente, por
  meio de conectores mecânicos de precisão. Já as
  junções multiponto utilizam-se de acopladores.

53
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões     

54
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões     

55
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões  
• Acopladores Direcionais     
• Os acopladores direcionais tipo T são utilizados
  em configurações multiponto em barramentos.
•      As perdas devido ao acoplador são da ordem
  de 0.5 dB, e está relacionado ao número de nós ao
  longo da rede.   

56
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões  
• Acoplador Estrela     
• Este tipo de acoplador permite a distribuição da
  potência ótica simultaneamente para vários nós de
  uma rede configurada em estrela passiva.
• É importante observar que o acoplador deve
  manter uniformidade na distribuição de potência.

57
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões  
• Comutador Ótico     
• Os comutadores óticos são dispositivos
  utilizados nas redes a fim de possibilitar rotas
  alternativas para o sinal transmitido.
• É bastante utilizado em topologias em anel, uma
  vez que possibilita isolar nós em caso de falha
  ou manutenção.

58
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões  
• Comutador Ótico     
• Os comutadores óticos são dispositivos
  utilizados nas redes a fim de possibilitar rotas
  alternativas para o sinal transmitido.
• É bastante utilizado em topologias em anel, uma
  vez que possibilita isolar nós em caso de falha
  ou manutenção.

59
Redes ópticas

• Estrutura
• Acoplamento e Conexões 
•  
• Conectores     
• Conectores óticos são dispositivos passivos que
  possibilitam realizar junções temporárias
  ponto-a-ponto entre duas fibras ou, nas
  extremidades dos sistemas.
• Para redes onde é necessária a minimização de
  espaço e facilidade de conexão/desconexão, a
  escolha de conectores ponto-a-ponto é a mais
  adequada.
• Em geral, a instalação do conector ligado ao
  dispositivo ótico e a fibra é feita em placas de
  circuito impresso, em conjunto a componentes
  eletrônicos da interface de comunicação ao modem.