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03 - Distâncias e Taxas de Transmissão

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Distâncias e Taxas de Transmissão (Fibra Óptica)

1. Definição

Em comunicações ópticas, distância e taxa de transmissão são parâmetros interdependentes que definem a viabilidade de um enlace. A distância máxima que um sinal óptico pode percorrer sem regeneração é determinada pela atenuação do meio, pela dispersão (cromática e modal) e pela sensibilidade do receptor. Já a taxa de transmissão (em bits por segundo) é limitada pela largura de banda efetiva do sistema óptico-eletrônico (laser + fotodiodo + modulador).

Compreender a relação entre esses parâmetros é essencial para projetar enlaces de fibra - desde links curtos entre racks de datacenter (300 m em 400 Gbps) até cabos submarinos transoceânicos (10.000 km em 100 Gbps por canal com amplificação óptica).

2. Limites Físicos Fundamentais

Atenuação

A atenuação na fibra óptica de sílica (SiO2) varia drasticamente com o comprimento de onda. Existem três janelas de transmissão historicamente exploradas:

Janela Comprimento de onda Atenuação típica Aplicação
1ª 850 nm 2,5 dB/km Multimodo (LAN curta)
2ª 1310 nm 0,35 dB/km Monomodo (LAN/MAN)
3ª 1550 nm 0,20 dB/km Monomodo (WAN, DWDM)

A terceira janela (1550 nm) é a preferida para longa distância por apresentar a menor atenuação natural da sílica. Explora-se também a região de 1625 nm para monitoramento OTDR (Out-of-Band).

Dispersão Cromática

A dispersão cromática faz com que pulsos de luz de diferentes comprimentos de onda viagem em velocidades ligeiramente diferentes, alargando o pulso no tempo. É medida em ps/(nm·km):

  • Em 1310 nm: ~0 ps/(nm·km) (zero de dispersão, janela ideal para single-channel).
  • Em 1550 nm: ~17 ps/(nm·km) (compensada com fibra DCF).

Dispersão Modal

Em fibra multimodo (MMF), cada modo óptico percorre caminhos de comprimentos diferentes. Isso limita severamente o produto banda x distância, expresso em MHz·km.

3. Tipos de Fibra e seus Limites

Tipo Modos Banda típica Distância máxima (10G)
OM1 (62,5/125) Multimodo 33 MHz·km a 850 nm 33 m
OM2 (50/125) Multimodo 500 MHz·km a 850 nm 82 m
OM3 (50/125) Multimodo Laser-Opt 2000 MHz·km 300 m
OM4 (50/125) Multimodo Laser-Opt 4700 MHz·km 400 m
OM5 (50/125) Multimodo WBMMF 4700 MHz·km (850) + 2470 (953) 440 m (10G), 100 m (100G)
OS1 (SMF) Monomodo ~100 THz até 10 km (sem amplif.)
OS2 (SMF) Monomodo low-loss ~100 THz até 80 km (sem amplif.)

4. Padrões Ethernet sobre Fibra

Padrão Fibra Comprimento de onda Distância máxima Bitrate
100BASE-FX MMF 1310 nm 2 km 100 Mbps
1000BASE-SX MMF (OM3/OM4) 850 nm 550 m 1 Gbps
1000BASE-LX MMF ou SMF 1310 nm 550 m / 5 km 1 Gbps
10GBASE-SR MMF (OM3/OM4) 850 nm 300 m / 400 m 10 Gbps
10GBASE-LR SMF 1310 nm 10 km 10 Gbps
10GBASE-ER SMF 1550 nm 40 km 10 Gbps
10GBASE-ZR SMF 1550 nm 80 km 10 Gbps
40GBASE-SR4 MMF (OM3/OM4) 850 nm 100 m / 150 m 40 Gbps
40GBASE-LR4 SMF 1310 nm (4 lambdas) 10 km 40 Gbps
100GBASE-SR4 MMF (OM4) 850 nm 100 m 100 Gbps
100GBASE-LR4 SMF 1295-1310 nm (WDM) 10 km 100 Gbps
100GBASE-ER4 SMF 1295-1310 nm 40 km 100 Gbps
400GBASE-DR4 SMF 1310 nm 500 m 400 Gbps
400GBASE-FR4 SMF (CWDM) 1271-1331 nm 2 km 400 Gbps
400GBASE-LR8 SMF (CWDM) 1273-1331 nm (8 lambdas) 10 km 400 Gbps

5. Multiplexação WDM

A multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing) permite que múltiplos canais ópticos compartilhem a mesma fibra, cada um em um comprimento de onda distinto. Existem duas variantes:

Tecnologia Espaçamento entre canais Número de canais Aplicação
CWDM (Coarse) 20 nm (1270 a 1610 nm) até 18 Datacenter, MAN
DWDM (Dense) 0,4 a 1,6 nm (em 1550 nm) até 96 (C-band) WAN, submarino

Um sistema DWDM moderno transporta 96 canais x 400 Gbps = 38,4 Tbps por par de fibras. Cabos submarinos com 16 pares de fibras atingem 614 Tbps agregados.

6. Amplificação Óptica (EDFA)

Para distâncias acima de ~80 km, a atenuação (0,2 dB/km x 80 km = 16 dB) reduz o sinal a níveis irrecuperáveis. Em vez de regenerar eletricamente (OEO - Optical-Electrical-Optical), usam-se amplificadores ópticos:

EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier)

  • Operação: banda C (1530-1565 nm) e banda L (1570-1610 nm).
  • Ganho: 20-40 dB.
  • Ruído: NF (Noise Figure) 4-6 dB (ruído ASE - Amplified Spontaneous Emission).
  • Uso: a cada 60-100 km em cabos submarinos.

Raman Amplifier

  • Baseado em espalhamento Raman estimulado.
  • Distribuído ao longo da própria fibra de transmissão.
  • Permite alcançar distâncias maiores sem regeneração.

Para projetar um enlace óptico, calcula-se o Link Budget (orçamento de potência):

Link Budget (dB) = Pt (transmit) - Pr_sens (receiver sensitivity)
                  = Atenuação total + Margem

Exemplo: 10GBASE-LR em 10 km de SMF OS2

Pt = -8 dBm (transmitter launch power)
Pr_sens = -14 dBm (receiver minimum sensitivity)
Link Budget disponível = Pt - Pr_sens = -8 - (-14) = 6 dB

Perdas esperadas:
- Fibra: 0,35 dB/km x 10 km = 3,5 dB
- Conectores (2x): 0,5 dB x 2 = 1,0 dB
- Fusões (2x): 0,1 dB x 2 = 0,2 dB
- Margem de segurança: 1,0 dB
TOTAL = 5,7 dB

Veredito: 5,7 dB < 6 dB -> enlace viável

8. Modulações Modernas em Alta Velocidade

Em 100G e 400G, modulações avançadas substituem NRZ simples:

Modulação Bits/símbolo Aplicação
NRZ-OOK 1 10G, 25G curto
PAM-4 2 50G, 100G, 200G (curto)
QPSK 2 (com polarização) 100G long-haul
16-QAM DP 8 (DP = Dual Polarization) 200G, 400G
64-QAM DP 12 600G experimental

Técnicas como Coherent Detection (DP-QPSK, DP-16QAM) permitem alcançar 400 Gbps por canal a 1000+ km com correção FEC LDPC.

9. Casos de Uso Reais

Datacenter

  • ToR-Spine: 100GBASE-SR4 em OM4, 100 m.
  • Inter-pod: 400GBASE-DR4 em SMF, 500 m.
  • Inter-datacenter: 400ZR (DWDM coerente), 80-120 km sem amplificação.

Campus

  • Backbone: 10GBASE-LR em SMF OS2, até 10 km entre edifícios.

Acesso Residencial (FTTH)

  • GPON (ITU-T G.984): 2,5 Gbps downstream, 1,25 Gbps upstream; até 20 km com split 1:64.
  • XGSPON: 10 Gbps simétrico; até 40 km com split 1:128.
  • 50G-PON (G.9804): 50 Gbps downstream, 25 Gbps upstream.

10. Resumo Técnico

Atributo Valor
Atenuação mínima (1550 nm) 0,20 dB/km (SMF OS2)
Banda útil SMF ~10 THz (faixa C+L)
Distância máxima sem amplificação 80-120 km (10G)
Distância com amplificadores EDFA 10.000+ km (submarinos)
Capacidade DWDM modern 38,4 Tbps por fibra
Bitrate máximo comercial (2024) 800 Gbps por canal

11. Conclusão

A combinação de fibras de baixa atenuação, amplificadores ópticos EDFA/Raman, multiplexação DWDM e modulações coerentes permitiu à fibra óptica manter sua posição como meio de transmissão de maior capacidade, menor latência e maior alcance da infraestrutura global de Internet. Para o engenheiro de redes, dominar o cálculo de link budget, a escolha da categoria de fibra (OM3 vs OM4 vs OS2) e os padrões IEEE/ITU-T aplicáveis é pré-requisito para especificar enlaces que atendam SLAs de disponibilidade e BER abaixo de 10^-12 em ambientes críticos como datacenters hiperescala, redes 5G fronthaul e cabos submarinos transatlânticos.