A manutenção das redes de fibra óptica, implantadas para atender ao constante aumento da demanda por informação e transmissão de dados, exige uma logística bastante complicada. Tomando o exemplo de 60 quilômetros de cabos ópticos de uma cidade a outra, se houver defeitos, como elevada dispersão dos modos de polarização (PMD), que possam degradar o sinal e impedir que a informação chegue à outra ponta, equipes da operadora terão que percorrer todo o trajeto, cavando e desenterrando as caixas de emenda instaladas a cada 4 km; a medição do sinal em cada caixa é que permitirá localizar o trecho com problemas para reparação. É um esforço que demanda muitos homens, deslocamentos, tempo e custo elevado.

Uma técnica inédita, desenvolvida em pesquisa conjunta da Unicamp com o CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações), promete aliviar bastante o trabalho dos operadores. “Técnica de medição distribuída de PMD em enlaces ópticos baseada em pOTDR” é o título da dissertação de mestrado de Carolina Franciscangelis, orientada pelo professor Fabiano Fruett, da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), e coorientada pelo pesquisador Claudio Floridia, do CPqD. “A técnica é inovadora. O estudo da literatura mostrou que sua concepção e validação foram realizadas pela primeira vez”, afirma a autora da dissertação.

Segundo Carolina Franciscangelis, a motivação deste trabalho foi desenvolver um método para localizar trechos comprometidos em redes de fibra óptica de forma qualitativa e quantitativa, com respeito à sua PMD de primeira ordem, vulgo DGD [sigla em inglês para Atraso Diferencial de Grupo]. “Propusemos uma técnica de medição distribuída de um parâmetro que penaliza o sinal óptico transmitido, que chamamos de DGD. A técnica permite localizar os trechos de maior DGD e estimar seus valores. Abordagens similares já existem na literatura, mas são complexas porque envolvem a medição de parâmetros complicados de se obter – e poucas oferecem esta visão quantitativa. O nosso método tem por trás uma técnica mais simplificada e que exige menos equipamentos ativos, o que representa baixo custo.”

A autora observa na dissertação que os sofisticados sistemas de comunicação óptica requerem sensores precisos e estáveis para monitorar parâmetros como de PMD (Dispersão dos Modos de Polarização), que causa um alargamento temporal do pulso óptico que acaba degradando a recepção do sinal. A proposta, demonstrada experimentalmente, foi de uma técnica para medição de PMD com o uso de um equipamento já comercializado, o Refletômetro Óptico no Domínio do Tempo (OTDR), associado a um módulo totalmente passivo para polarização da luz (pOTDR).

O coorientador Claudio Floridia, do CPqD, explica que as técnicas atuais permitem medir a PMD apenas ponto a ponto nos enlaces ópticos, que costumam ter centenas de quilômetros. “Uma alternativa é dividir o enlace ao meio para ir cercando o trecho defeituoso, processo que demanda tempo e custos elevados. Com a técnica desenvolvida é possível localizar e estimar o valor de trechos com alta PMD a partir de um ponto de medição apenas, gerando economia para operadoras e fabricantes de cabos ópticos.”

De acordo com Floridia, os problemas nas redes ópticas podem decorrer de imperfeições já na fabricação do cabo, mas que por serem subterrâneas e instaladas ao longo de rodovias, cortando áreas rurais, também estão sujeitas a agentes externos como temperatura, pressão, torção e estresse mecânico. “Geralmente as operadoras solicitam medições a várias entidades, inclusive ao CPqD, para verificar a qualidade do cabo. Mas os problemas podem ocorrer na instalação, a exemplo de trações e torções de fibras. Nosso método é capaz de localizar todos esses defeitos.”

Carolina Franciscangelis ressalta que os problemas surgem especialmente em fibras ópticas instaladas há mais tempo, que os técnicos chamam de “legado”. “Hoje em dia, existe na fabricação um controle mais rígido em relação à DGD, a fim de que esse parâmetro seja o mais baixo possível. Esta preocupação era menor nas fibras legado, assim como o cuidado na instalação. Embora nosso método vise também às redes atuais com fibras novas, o foco maior está nas redes legado, que dificilmente serão substituídas totalmente no curto prazo.”

O protótipo

A pesquisadora informa que o dispositivo mais usado para analisar as perdas de uma fibra óptica é o OTDR (sigla em inglês para Optical Time Domain Reflectometer), base do método que desenvolveu. “É um instrumento já comercial, cujo princípio de funcionamento está no fenômeno chamado retroespalhamento Rayleigh. O OTDR lança pulsos ópticos de determinadas larguras temporais ao longo do enlace óptico e esses pulsos lançados sofrem espalhamento   devido a pequenas variações em seu índice de refração; e parte da luz, retroespalhada, retorna ao ponto de lançamento, atenuada ao longo do enlace, sendo capturada pelo OTDR.”

Este sinal que volta, prossegue Carolina, é redirecionado, passando por um polarizador que traduz as variações no estado de polarização ao longo da fibra em variações de potência óptica, relacionando-as com a distância em quilômetros. “O que temos é um gráfico da atenuação do sinal ao longo na fibra, com uma curva mostrando trechos lisos, sem grandes variações de amplitude, e trechos rugosos, de grande variação – os lisos são os problemáticos. E o operador, verificando somente a resposta no OTDR, pode trocar o trecho do enlace sem que precise ir ao local para fazer a medição com instrumentos tradicionais. Além desta variação qualitativa, técnicas desenvolvidas na dissertação permitem um pós-processamento dos dados para estimar os valores de PMD e os trechos mais penalizados da fibra.”

O produto

O professor Fabiano Fruett, que orientou a autora da dissertação e também coordena o Laboratório de Sensores Microeletrônicos da FEEC, atenta que a técnica desenvolvida pode contribuir para melhorar a qualidade da internet. “Um estudo recente, envolvendo 140 países, concluiu que a internet brasileira é uma das mais lentas do mundo. O desafio é grande, pois estamos num país continental, com demanda crescente por comunicação e aumento na capacidade de transmissão. Dentro do Estado de São Paulo, até que estamos bem servidos, mas essa necessidade de comunicação óptica aumenta à medida que entramos em pontos mais longínquos do Centro-Oeste, Norte e Nordeste.”

Em relação a outro aspecto salientado por Fabiano Fruett, que é a cooperação entre Unicamp e CPqD, o pesquisador Claudio Floridia lembra a tradição de sua instituição em sistemas de comunicações e em óptica, desde a fundação, oferecendo laboratórios, insumos e uma ótima infraestrutura. “Trata-se de uma colaboração com a Universidade envolvendo uma pesquisa mais aplicada, que vai continuar no doutorado de Carolina Franciscangelis, ex-pesquisadora do CPqD, assim como outros trabalhos envolvendo alunos que são nossos funcionários ou não.”

A aluna da Unicamp pretende continuar as investigações sobre sensores ópticos distribuídos em seu doutorado. Uma possível proposta é aumentar o alcance da técnica que desenvolveu, visto que ainda não cobre enlaces de fibras ópticas superiores a 100 quilômetros; e quem sabe, futuramente, transformá-la em um produto comercial, possibilidade que Claudio Floridia admite já estar sendo pensada. “Dentro do universo do CPqD existem empresas capacitadas a fabricar o dispositivo em escala, embora considere que o método está mais caracterizado para serviços.”

Publicação

Dissertação: “Técnica de medição distribuída de PMD em enlaces ópticos baseada em pOTDR”
Autora: Carolina Franciscangelis
Orientador: Fabiano Fruett
Coorientador: Claudio Floridia
Unidade: Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) e CPqD