Sistemas de comunicações ópticas

As tecnologias da informação tornaram-se uma das principais forças que sustentam e moldam a sociedade e a economia modernas. As redes sociais, os serviços de streaming de vídeo, o comércio eletrônico são exemplos de aplicações diretamente ligadas às tecnologias de processamento, armazenamento e transferência da informação. No horizonte de médio e longo prazo, aplicações relacionadas à sistemas de inteligência artificial (artificial intelligence - AI), particularmente carros autônomos e internet das coisas (internet of things - IOT), prometem revolucionar os setores de indústria e serviços. Não obstante, o advento destas tecnologias é também sustentado em parte pelo desenvolvimento das redes de comunicação. Portanto, a importância das tecnologias da informação nunca foi tão grande como nesta época.

O desenvolvimento das telecomunicações é uma das mais notáveis realizações da espécie humana e conseqüência direta dos avanços em ciência e engenharia, que culminaram com a Internet. Atualmente, uma comunicação virtual em tempo real entre indivíduos colocados nos lados opostos do globo é possível graças a uma vasta rede física capaz de mover informações à velocidade da luz. O núcleo dessa infraestrutura é composto pelas redes de fibra óptica, que assumem a tarefa de gerenciar enormes parcelas do tráfego de dados em distâncias de até milhares de quilômetros.

Numa perspectiva histórica, o marco inicial das comunicações ópticas modernas se deu com a invenção do primeiro laser, em 1960. Em seguida veio o desenvolvimento das primeiras fibras ópticas de sílica com baixa atenuação (entre as décadas de 1970 de 1980) e os primeiros amplificadores ópticos (final da década de 1980), que se tornaram os elementos primordiais dos sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (wavelengh division multiplexing - WDM), que operam nas redes atuais. As fibras monomodo comerciais têm um mínimo atenuação variando de 0,16 a 0,2 dB/km em um intervalo do espectro infravermelho em torno de 1550 nm (também conhecido como banda C). Dentro da janela espectral da banda C, entre 1530 nm e 1565 nm, amplificação óptica é possível por meio de amplificadores à fibra dopada com érbio (erbium-doped fiber amplifiers - EDFAs). As baixas perdas e a disponibilidade de amplificação óptica nesta janela proporcionam aproximadamente 5 THz de largura de espectro utilizável para comunicação.

Atualmente, taxas de transmissão da ordem de 70 Tb/s por fibra monomodo (single-mode fiber - SMF) foram demonstradas sobre distâncias transoceânicas. Isto equivale a um aumento de aproximadamente 70 vezes em comparação às taxas de transmissão dos sistemas disponíveis no início dos anos 2000.

Apesar do enorme crescimento na capacidade das tecnologias de comunicação por fibras ópticas para movimentar grandes tráfegos de dados, as redes ópticas enfrentam constantes desafios impostos pela crescente demanda por largura de banda e serviços de telecomunicações em todo o mundo. Novas gerações de sistemas de comunicações ópticas devem acompanhar o ritmo de crescimento da demanda de serviços e, ao mesmo tempo, manter baixos custos e alta eficiência energética. O caminho para que estas metas desafiadoras sejam alcançadas requer que uma série de tarefas interdisciplinares sejam resolvidas. Por um lado, dispositivos ópticos integrados de baixo consumo de energia são necessários. Por outro lado, ferramentas avançadas de processamento de sinais são requeridas para otimizar o uso de recursos físicos disponíveis nas redes. Essas diretrizes já promoveram o desenvolvimento significativo das comunicações coerentes para a camada física das redes ópticas.