FIBRA ÓPTICA
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FIBRA ÓPTICA
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FIBRA ÓPTICA
Allison BastosCésar Henrique de Oliveira PereiraEduardo Assis RochaJacqueline dos Santos Marques FreitasJoão Paulo Alves dos SantosLuiz Carlos Campos
ÍNDICEPagina1.0
Introdução 5
2.0
História 6
1
Monografia da Disciplina Princípios de Telecomunicaçõesdo Programa de Engenharia de Telecomunicações, orientada
Pelo Prof. M. Sc. Paulo Tibúrcio Pereira
UNIBHBelo Horizonte
2004
2.1 História da Fibra Óptica Mundial
6
2.2 História da Fibra Óptica no Brasil
11
3.0
Regulamentação 13
3.1 Normas Técnicas 13
3.1.1 Normas para Cabeamento Estruturados Fibra Óptica
13
4.0
Introdução sobre ondas 14
4.1 Reflexão e Refração 14
4.2 Lei de Snell 164.3 Estrutura da fibra óptica
22
4.4 Tipos de fibra Óptica 24
2
4.4.1 Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)
24
4.4.1.1 Multimodo de Índice Degrau
25
4.4.1.2 Multimodo de Índice Gradual
26
4.4.2 Fibras Monomodo (SMF Single Mode Fiber)
27
4.2 Reflexão Interna Total 28
5.0
Fabricação da Fibra Óptica 31
5.1.1 - Fabricação de uma preforma de vidro
32
5.1.1.1 PVCD (Plasma Chemical Vapour Deposition)
33
5.1.1.2 OVD (Outside Vapour Deposition)
34
5.1.1.3 VAD (Vapour Axial Deposition)
35
3
5.1.2 Puxamento de uma preforma em uma torre de puxamento
36
5.1.3 Testes das fibras puxadas
38
6.0
Emendas Ópticas 39
6.1 Processo de Emenda 40
6.1.1 Limpeza 406.1.2 Decapagem 40
6.1.3 Clivagem 40
6.2 Atenuações em Emendas Ópticas
41
6.2.1 Fatores Intrínsecos 41
6.2.2 Fatores Extrínsecos 42
6.2.3 Fatores Refletores 426.3 Tipos de Emendas Ópticas
42
6.3.1 Emenda por Fusão 43
4
6.4 Emenda Óptica Mecânica 44
6.5 Emenda Óptica por Conectorização
45
6.6 Perdas por Atenuações 46
6.6.1 Emendas Ópticas 466.6.2 Conectores 47
7.0
Atenuação 47
7.1 Absorção 48
7.1.1 Absorção material 48
7.1.2 Absorção do íon OH¯ 49
7.1.3 Absorção Mecânica 497.2 Espalhamento 51
7.3 Propriedades das Fibras Óticas
52
7.3.1 Imunidade a Interferências
52
7.3.2 Ausência de diafonia 527.3.3 Isolação elétrica 53
5
7.4 Dispersão 53
7.4.1 Dispersão Modal 53
7.4.2 Disperção Cromática 54
7.4.2.1 Disperção Material 54
7.4.2.2 Disperção de guia de onda
55
8.0
As Vantagens da utilização de Fibras Ópticas
55
8.1 Banda passante potencialmente enorme
56
8.2 Perda de transmissão muito baixa
57
8.3 Imunidade a interferências e ao ruído
58
8.4 Isolação elétrica 598.5 Pequeno tamanho e peso 59
8.6 Segurança da informação e do sistema
60
8.7 Custos potencialmente 61
6
baixos8.8 Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura
61
9.0
Desvantagens 62
9.1 Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos
62
9.2 Dificuldade de conexão das fibras ópticas
62
9.3 Acopladores tipo T com perdas muito altas
62
9.4 Impossibilidade de alimentação remota de repetidores
62
9.5 Falta de padronização dos componentes ópticos
63
10.
Aplicações da Fibra Óptica 63
7
10.1 Fibras Ópticas na Instrumentação
63
10.1.1 Sensores 6310.1.2 Emprego de Fibras Ópticas na construção de sensores:
64
10.1.3 Exemplos de sensores construídos com Fibras Ópticas:
64
10.2 Sistemas de Comunicações
65
10.3 Rede Telefônica 6510.4 Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
66
10.5 Cabos Submarinos 6610.6 Uso de Fibras Ópticas na Medicina:
67
10.7 Laser de Fibra 67
10.8 Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações
68
10.9 Comunicações 69
8
10.10 Redes Locais de Computadores
70
10.11 Televisão por Cabo (CATV)
72
10.12 Sistemas de Energia e Transporte
73
10.13 Aplicações da Fibra Óptica para fins Militares
73
10.14 Aplicações Específicas
74
11.0
Atualidades 75
11.1 Mercado Brasileiro 75
11.2 Aplicações futuras 76
12.0
Conclusão 79
13 Referências Bibliográficas 80
9
.0
1.0 Introdução
Quando ouvimos falar sobre comunicação óptica, logo associamos o assunto ao uso de fibra óptica. A comunicação utilizando fibra óptica é realizada através do envio de um sinal de luz codificado, dentro do
10
domínio de freqüência do infravermelho, 1012 a 1014 Hertz, a fibra óptica é um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza.
É tão fino quanto um fio de cabelo, podendo carregar milhares de informações digitais a longas distâncias sem perdas significativas. Ao redor do filamento existem outras substâncias de menor índice de refração, que fazem com que os raios sejam refletidos internamente, minimizando assim as perdas de transmissão. Os sistemas de comunicações baseados em fibra ópticos utilizam lasers ou dispositivos emissores de luz
11
(LEDS). Esses últimos são preferidos por serem mais eficientes em termos de potência, e devido a sua menor largura espectral, que reduz os efeitos de dispersão na fibra. Além disso, as fibras ópticas são imunes a interferências eletromagnéticas e a ruídos por não irradiarem luz para fora do cabo.
Sempre que falamos ao telefone, assistimos à TV a cabo, navegamos na Internet ou realizamos uma endoscopia digestiva utilizamos tecnologia associada às fibras ópticas.
As vantagens da utilização da fibra ópticas são:
12
Imunidade a interferências, grande capacidade transmissão, ausência de ruídos, isolação elétrico, pequeno tamanho e peso, sigilo de comunicação.
Ao longo desse trabalho será possível se conhecer um pouco mais sobre essa tecnologia, de uma maneira pratica e objetiva, além de entender porque as fibras ópticas vêm pouco a pouco substituindo a utilização dos cabos nas telecomunicações.
2.0 História
2.1 História da Fibra Óptica Mundial
13
Os primeiros experimentos utilizando fibra óptica ocorreram em 1930 na Alemanha, mas as pesquisas sobre suas propriedades e características se iniciaram por volta de 1950. Hoje, as fibras ópticas são largamente utilizadas e representam uma revolução na transmissão de informações. Hoje em dia, as fibras ópticas utilizadas em sistemas podem operar com taxas de transmissão que chegam até 620 Mbps. Apenas para dar uma idéia de grandeza, esta taxa é aproximadamente dez mil vezes a taxa dos modems comumente utilizados pela maioria dos usuários da Internet.
14
Figura 1 – Filamentos de Fibra óptica [1]
Figura 2 – Linha do Tempo [1]
15
Século VI a.C: Os esquilos informaram aos Argos da queda de Tróia por meio de uma cadeia de sinais de fogo.
Século II a.C: Polibio propôs um sistema de transmissão do alfabeto grego por meio de sinais de fogo (dois dígitos e cinco níveis (52=25 códigos).
100 a.C: Vidros de qualidade óptica somente apareceram após o surgimento dos famosos cristais venezianos, na época da Renascença. Os princípios da fibra óptica são conhecidos desde a Antigüidade e foram utilizados em prismas e fontes iluminadas.
200 D.C: Heron da Alexandria estudou a reflexão.
16
1621: Willebrod Snell descobriu que quando a luz atravessa dois meios, sua direção muda (refração).
1678: Christian Huygens modela a luz como onda.
1791: Claude Chappe inventou o Semaphore, sistema de comunicação visual de longas distâncias através de braços mecânicos, instalados no alto de torres (velocidade de 1 bit por segundo)
1800: O Sr. William Herschel descobriu a parte infravermelha do espectro.
1801: Ritter descobre a parte ultravioleta do espectro.
1830: Telégrafo com código Morse (digital) chegava a alcançar mil
17
km, o equivalente a velocidade de 10 bits por segundo, com os repetidores.
1864: O físico teórico escocês, James C. Maxwell (1831-1879), criou o termo campo eletromagnético após a publicação da sua teoria eletromagnética da luz.
1866: Primeira transmissão transatlântica de telégrafo.
1870: John Tyndal (1820-1893) mostrou a Royal Society que a luz se curva para acompanhar um esguicho d’água, ou seja, pode ser guiada pela água.
1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bell
1880: O engenheiro William Wheeler, recebeu uma patente
18
pela idéia de “conduzir” intensas fontes de luz para salas distantes de um prédio. O escocês naturalizado americano, Alexander Graham BELL (1847-1922), inventou o Photophone, um sistema que reproduzia vozes pela conversão de luz solar em sinais elétricos (telefone óptico).
1926: John L. Baird patenteia uma TV a cores primitiva que utilizava bastões de vidro para transportar luz.
1930: Lamb realizou primeiros experimentos de transmissão de luz através de fibras de vidro, Alemanha.
19
1940: O primeiro cabo coaxial transporta até 300 ligações telefônicas ou um canal de TV.
1950: Brian O´BRIEN do American Optical Company e Narinder Singh Kanpany , físico indiano do Imperial College of Science and Technology de Londres, desenvolveram fibras transmissoras de imagens, hoje conhecidas por Fiberscopes.
1956: O físico indiano Narinder Singh Kanpany inventa a fibra óptica: desenvolveram a idéia de uma capa de vidro sobre um bastão fino de vidro para evitar a “fuga” da luz pela superfície.
1958: Arthur Schwalow e Charles Townes inventam o laser.
20
1960: Theodore Maiman, do Hughes Labs (EUA), construiu o primeiro laser a cristal de rubi.
1961: Javan e colaboradores construíram o primeiro laser a gás HeNe, para a região do infravermelho (1150 nm). Em 1962 surge o laser HeNe para 632,8 nm.
1962: Foi inventado o primeiro fotodetector PIN de silício de alta velocidade (EUA).
1966: Charles Kao e A. Hockham do Standard Communication Laboratory (UK), publicaram um artigo propondo fibras ópticas como meio de transmissão adequado se as perdas fossem reduzidas de 1000 para 20 dB/km.
21
Início da corrida mundial pela fibra de menor atenuação !!!
1968: Primeiro diodo laser com dupla heteroestrutura, DHS, (EUA).
1970: Kapron e Keck quebram a barreira dos 20 dB/km produzindo uma fibra multimodo com 17 dB/km em 632,8 nm (Corning Glass Works, USA).
1972: Novamente, Corning Glass lança uma fibra multimodo com 4 dB/km.
1973: Um link telefônico de fibras ópticas foi instalado no EUA.
1976: O Bell Laboratories instalou um link telefônico em de 1 km em Atlanta e provou ser possível o uso da fibra para
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telefonia, misturando técnicas convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo com fibras ópticas foi instalado em Hastings (UK). A empresa Rank Optics em Leeds (UK) fabrica fibras de 110 nm para iluminação e decoração.
1978: Começa, em vários pontos do mundo, a fabricação de fibras ópticas com perdas menores do que 1,5 dB/km, para as mais diversas aplicações.
1979: MYA e colaboradores, Japão, anunciam a primeira fibra monomodo (SMF) com 0,20 dB/km em 1550 nm.
1981: Ainslie e colegas (UK) demonstram a SMF com dispersão nula em 1550 nm.
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1983: Introduzida a fibra monomodo com dispersão nula em 1310 nm – G652.
1985: Introduzida a fibra monomodo de dispersão deslocada (DS) – G653.
1988: Operação do primeiro cabo submarino, TAT-8, entre EUA, França e Inglaterra.
1989: Introdução comercial dos amplificadores ópticos dopados com érbio.
1994: Introduzida a fibra de dispersão nula (NZD) em 1500 nm – G655.
2001: A fibra óptica movimenta cerca de 30 bilhões de dólares a cada ano.
24
2004: As pesquisas avançam em direção à caracterização e fabricação de fibras fotônicas.
2.2 História da Fibra Óptica no Brasil
Unicamp foi à primeira instituição brasileira a pesquisar as fibras ópticas. O Grupo de Fibras Ópticas do Instituto de Física Gleb Wataghin foi formado em 1975 para desenvolver o processo de fabricação de fibras e formar recursos humanos nesta área.
25
Figura 3 – Pesquisadores no Laboratório de Comunicações Ópticas [1]
Dos laboratórios do IFGW saíram às primeiras fibras ópticas fabricadas no país e foram desenvolvidas várias técnicas de caracterização das fibras. Este desenvolvimento foi transferido, juntamente com as pessoas treinadas, para o CPQD –
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Centro de Pesquisas e Desenvolvimento em Telecomunicações (empresa pertencente à holding das Empresas de Telecomunicações – a Telebrás) onde continuou-se com a construção de uma planta piloto para fabricação, bem como otimização do processo. O CPQD transferiu a tecnologia para as empresas ABC-Xtal, Bracel, Avibrás, Pirelli e Sid, que hoje produzem a maior parte das fibras utilizadas no Brasil. Acopladores por fusão a fibra, que servem para juntar os núcleos duas ou mais fibras, desenvolvidos nos laboratórios do grupo foram repassados ao CPQD, juntamente com os recursos humanos. Esta tecnologia foi transferida para as empresas AGC-Optosystems e
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AsGa. Essas empresas exportam produzem os acopladores para o mercado nacional e para exportação.
As pesquisas do grupo foram cada vez mais sendo desenvolvidas em assuntos de fronteira, avaliando e explorando tecnologias emergentes, e realizando atividades de pesquisa que fossem temas de teses de doutoramento. Desenvolveu-se, assim, os primeiros amplificadores a fibra dopada com Érbio no país, processos originais de fabricação de vidros especiais, técnicas de óptica não linear e de lasers de pulsos ultra-curtos para o estudo de fenômenos ultra-rápidos.
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Dadas as atividades desenvolvidas nos últimos anos, o grupo passou a ser chamado de Grupo de Fenômenos Ultra-Rápidos e Comunicações Ópticas. Este grupo é pioneiro no Brasil na área de fenômenos ultra-rápidos e conta hoje com um laboratório de femtossegundos que é um dos melhores equipados no mundo.
É grande a experiência do grupo na fabricação de vidros ópticos; desenvolvimento de processos originais de fabricação de vidros cerâmicos e de vidros dopados com quantum dots semicondutores. Esses vidros que são promissores para aplicações em chaves fotônicas. O grupo lidera também a área de
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dispositivos de óptica integrada em vidros. [1]
3.0 Regulamentação
3.1 Normas TécnicasO que é uma norma?
Uma norma é um grau ou nível de exigência, é uma excelência, um objetivo para promover interoperabilidade e confiabilidade em sistemas estruturados. As normas para cabeamento estruturado definem um sistema geral para redes de telecomunicações, criando um ambiente heterogêneo. Essas normas nasceram com a necessidade de padronizar soluções para sistemas de cabeamento de
30
telecomunicações que pudesse abrigar equipamentos de vários fabricantes. Existem organizações responsáveis pela elaboração e coordenação de padrões usados pela indústria, governo e outros setores.Vamos citar apenas os órgãos que interferem na Fibra óptica.
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANSI – American National Standards Institute
EIA – Electronic Industries Alliance
TIA – Telecommunications Industry Association
31
3.1.1 Normas para Cabeamento Estruturado Fibra Óptica
ANSI/EIA/TIA TSB72 – Guia para gerenciamento centralizado de dispositivos de fibra ópticaA intenção deste boletim e especificar conjunto de diretrizes para administrar sistemas de fibra ópticas no ambiente da sala de equipamentos utilizando sistema de racks e armários de telecomunicações.Data: Publicado 1992, parte 568ª, desde outubro de 1995.
ANSI/EIA/TIA 526-14 – Especificações técnicas para medidas ópticas multimodo
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Este documento especifica procedimentos usados para medir um link de fibra óptica multimodo, incluindo terminações, componentes passivos, fontes de luz, calibração e interpretação de resultados.Data: Publicado 1998.
ANSI/EIA/TIA 526-7 – Especificações técnicas para medidas ópticas monomodoTem a mesma função do documento anterior, só que para fibras monomodo.Data: Atualmente em votação na EIA/TIA.
ANSI/EIA/TIA 568 – Componentes para Cabeamento de fibra óptica
33
Esta norma especifica os requerimentos mínimos para componentes de fibra óptica, tais como cabos, conectores, hardware de conexão, patch cords e equipamento de teste de campo. Cabos 50/125µm multimodo e monomodo são reconhecidos. [5]
4.0 Introdução sobre ondas
4.1 Reflexão e Refração
Em 1952, o físico Narinder Singh Kapany, com base nos estudos efetuados pelo físico inglês John Tyndall de que a luz poderia descrever uma trajetória curva dentro de um material (no
34
experimento de Tyndall esse material era água), pode concluir suas experiências que o levaram à invenção da fibra óptica. A fibra óptica é um excelente meio de transmissão utilizado em sistemas que exigem alta largura de banda, tais como: o sistema telefônico, videoconferência, redes locais (LANs), etc. Há basicamente duas vantagens das fibras ópticas em relação aos cabos metálicos: A fibra óptica é totalmente imune a interferências eletromagnéticas, o que significa que os dados não serão corrompidos durante a transmissão. Outra vantagem é que a fibra óptica não conduz corrente elétrica, logo não haverá problemas com eletricidade, como problemas de
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diferença de potencial elétrico ou problemas com raios. O princípio fundamental que rege o funcionamento das fibras ópticas é o fenômeno físico denominado reflexão total da luz. Para que haja a reflexão total a luz deve sair de um meio mais para um meio menos refringente, e o ângulo de incidência deve ser igual ou maior do que o ângulo limite (também chamado ângulo de Brewster). [4]
Figura 4 – Exemplo de fibra óptica [4]
36
Para ter uma idéia dos dois fenômenos imagine uma pessoa à beira de um lago de águas calmas e límpidas. Se ela olhar próximo a seus pés possivelmente verá os peixes e a vegetação em baixo da água. Se, ao contrário, observar a outra borda do lago verá refletido na água as imagens de árvores ou outros objetos lá localizados. Porque a água e o ar possuem índices de refração diferentes, o ângulo que um observador olha a água influencia a imagem vista. [1]
4.2 Lei de Snell
37
A Figura 8 mostra um feixe de luz interceptado por uma superfície plana de vidro. Parte da luz incidente é refletida pela superfície, isto é, se propaga, em feixe, para fora da superfície, como se tivesse se originado naquela superfície. A outra parte é refratada, isto é, se propaga como um feixe através da superfície para dentro do vidro. A menos que o feixe incidente seja perpendicular ao vidro, a luz sempre muda a direção de sua trajetória quando atravessa uma superfície, por isso, dizemos que o feixe incidente é “desviado” na superfície.
Com base na figura, vamos definir algumas grandezas utilizadas e
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iremos representar os feixes incidente, refletido e refratado como raios, que são linhas retas traçadas perpendicularmente às frentes de onda, que indicam a direção do movimento dessas ondas. O ângulo de incidência Ø1 o ângulo de reflexão Ø1’ e o ângulo de refração Ø2 , também estão sendo mostrados. Observe que cada um desses ângulos é medido entre a normal à superfície e o raio correspondente. O plano que contém o raio incidente e a normal à superfície é chamado de plano de incidência. Na Figura, o plano de incidência é o plano da página.
39
Observamos experimentalmente que a reflexão e a refração obedecem às seguintes leis:
Figura 5 – Reflexão e a refração de um feixe de luz [10]
LEI DA REFLEXÃO: O raio refletido está contido no plano de incidência, e Ø1’ = Ø2’ (Reflexão)
40
LEI DA REFRAÇÃO: O raio refratado está contido no plano de incidência, e n1 os Ø1= n2 os Ø2 (Refração)
n1 é uma constante adimensional chamada índice de refração do meio l, e n2 é o índice de refração do meio 2.
A Equação da reflexão é chamada de Lei de Snell. O índice de refração de uma substância é igual a c/v, onde c é a velocidade da luz no espaço livre (vácuo), e v é a sua velocidade na substância considerada, conforme será visto mais adiante. A Tabela dá o índice de refração do vácuo e de algumas
41
substâncias comuns. No vácuo, por definição, n é exatamente igual a 1 ; no ar, n é muito próximo de 1,0 (uma aproximação que faremos com freqüência). Não existe índice de refração menor que 1.
O índice de refração da luz, em qualquer meio, exceto o vácuo, depende do comprimento de onda da luz. A Figura mostra essa dependência para o quartzo fundido. Uma vez definido n, a luz de diferentes comprimentos de onda tem velocidades diferentes num certo meio. Além disso, ondas luminosas de comprimentos de onda diferentes são refratadas com ângulos diferentes ao atravessarem uma superfície.
42
Assim, quando um feixe de luz, consistindo em componentes com diferentes comprimentos de onda, incide numa superfície de separação de dois meios, os componentes do feixe são separados por refração e se propagam em direções diferentes. Esse efeito é chamado de dispersão cromática, onde “dispersão” significa a separação dos comprimentos de onda, ou cores, e “cromática” significa a associação da cor ao seu comprimento de onda. Na Figura, não há dispersão cromática, porque o feixe é monocromático (de uma única cor ou comprimento de onda).
43
O índice de refração em um meio é, geralmente, maior para um comprimento de onda menor (luz azul), do que para um comprimento de onda maior (luz vermelha). Isso significa que, quando a luz branca se refrata, através de uma superfície, o componente azul sofre um desvio maior do que o componente vermelho, com as cores intermediárias apresentando desvios que variam entre esses dois.
Figura 6 – Índice de refração do quartzo fundido [10]
44
O índice de refração do quartzo fundido, em função do comprimento de onda. A luz, com um comprimento de onda, pequeno, que corresponde a um índice de refração mais alto, tem um desvio mais acentuado, ao penetrar no quartzo, que a luz com um maior comprimento de onda. [3]
Figura 7 – Índice de refração de alguns meios [10]
A Figura mostra um raio de luz branca, no ar, incidindo em uma superfície de vidro; são mostrados
45
apenas os componentes azul e vermelho da luz refratada. Como o componente azul sofre uma refração maior do que o vermelho, o ângulo de refração Ø2b, do componente azul, é menor do que o ângulo de refração Ø2b’ do componente vermelho. A Figura mostra um raio de luz branca passando pelo vidro e incidindo na superfície de separação vidro-ar. O componente azul é, novamente, mais refratado que o vermelho, mas agora Ø2b > Ø2r.
Para aumentar a separação das cores, podemos usar um prisma sólido de vidro, com seção triangular transversal, como na Figura. A dispersão na primeira
46
superfície é aumentada pela dispersão na segunda superfície.
Figura 8 – Dispersão cromática da luz branca [10]
O arco-íris é o exemplo mais simpático de dispersão cromática. Quando a luz branca do Sol é interceptada por uma gota de chuva, parte da luz se refrata para o
47
interior da gota, se reflete na superfície interna e, a seguir, se refrata para fora da gota. Como no prisma, a primeira refração separa a luz do Sol em seus componentes coloridos, e a segunda refração aumenta a separação.
Quando seus olhos interceptam as cores separadas pelas gotas de chuva, o vermelho vem das gotas ligeiramente mais inclinadas que aquelas de onde vem a cor azul, e as cores intermediárias vêm das gotas com ângulos intermediários. As gotas que separam as cores subtendem um ângulo de cerca de 42°, a partir de um ponto diretamente oposto ao Sol. Se a chuva é forte e brilhantemente
48
iluminada, você vê um arco colorido, com o vermelho em cima e o azul embaixo.
Seu arco-íris é pessoal, porque um outro observador verá a luz proveniente de outras gotas.
Figura 9 – Um prisma separando a luz branca [10]
49
Figura 10 – Um arco-íris e a separação das cores [10]
4.3 Estrutura da fibra óptica
As fibras ópticas são constituídas basicamente de materiais
50
dielétricos (isolantes) que, como já dissemos, permitem total imunidade a interferências eletromagnética; uma região cilíndrica composta de uma região central, denominada núcleo, por onde passa a luz; e uma região periférica denominada casca que envolve o núcleo.
A fibra óptica é composta por um núcleo envolto por uma casca, ambos de vidro sólido com altos índices de pureza, porém com índices de refração diferentes. O índice de refração do núcleo (n1) é sempre maior que o índice de refração da casca (n2). Se o ângulo de incidência da luz em uma das extremidades da fibra for menor que
51
um dado ângulo, chamado de ângulo crítico ocorrerá à reflexão total da luz no interior da fibra. [3]
Veremos agora a estrutura do cabo de fibra óptica.
Figura 11 – Estrutura da fibra óptica [3]
52
Figura 12 – Estrutura em corte da fibra óptica [1]
Núcleo: O núcleo é um fino filamento de vidro ou plástico, medido em micra (1 ηm = 0,000001m), por onde passa a luz. Quanto maior o diâmetro do núcleo mais luz ele pode conduzir.
Casca: Camada que reveste o núcleo. Por possuir índice de
53
refração menor que o núcleo ela impede que a luz seja refratada, permitindo assim que a luz chegue ao dispositivo receptor.
Capa: Camada de plástico que envolve o núcleo e a casca, protegendo-os contra choques mecânicos e excesso de curvatura.
Fibras de resistência mecânica: São fibras que ajudam a proteger o núcleo contra impactos e tensões excessivas durante a instalação. Geralmente são feitas de um material chamado kevlar, o mesmo utilizado em coletes a prova de bala.
Revestimento externo: É uma capa que recobre o cabo de fibra óptica. [3]
54
4.4 Tipos de fibra Óptica
Existem duas categorias de fibras ópticas: Multimodais e Monomodais. Essas categorias definem a forma como a luz se propaga no interior do núcleo.
4.4.1 Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)
As fibras multimodo (MMF MultiMode Fiber) foram as primeiras a serem comercializadas. Porque possuem o diâmetro do núcleo maior do que as fibras monomodais, de modo que a luz tenha vários modos de
55
propagação, ou seja, a luz percorre o interior da fibra óptica por diversos caminhos. E também porque os conectores e transmissores ópticos utilizados com elas são mais baratos. [1]
As setas verde, azul e vermelha representam os três modos possíveis de propagação (neste exemplo), sendo que as setas verde e azul estão representando a propagação por reflexão. As dimensões são 62,5 ηm para o núcleo e 125 ηm para a casca. Dependendo da variação de índice de refração entre o núcleo e a casca, as fibras multimodais podem ser classificadas em: Índice Gradual e Índice Degrau.
56
Figura 13 – Propagação da luz multimodal [3]
4.4.1.1 Multimodo de Índice Degrau
Possuem um núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca. As fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por isto, possuem características inferiores aos outros tipos de fibras a banda passante é muito estreita, o que restringe a
57
capacidade de transmissão da fibra. As perdas sofridas pelo sinal transmitido são bastante altas quando comparadas com as fibras monomodo, o que restringe suas aplicações com relação à distância e à capacidade de transmissão. [1]
Figura 14 – Fibra Óptica Multimodo ID [1]
4.4.1.2 Multimodo de Índice Gradual
58
Possuem um núcleo composto com índices de refração variáveis. Esta variação permite a redução do alargamento do impulso luminoso. São fibras mais utilizadas que as de índice degrau. Sua fabricação é mais complexa porque somente conseguimos o índice de refração gradual dopando com doses diferentes o núcleo da fibra, o que faz com que o índice de refração diminua gradualmente do centro do núcleo até a casca. Mas, na prática, esse índice faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e chegue à outra extremidade da fibra ao mesmo tempo praticamente, aumentando a banda passante e, conseqüentemente, a
59
capacidade de transmissão da fibra óptica. [1]São fibras que com tecnologia de fabricação mais complexa e possuem característica principais uma menor atenuação 1dBm/km, maior capacidade de transmissão de dados (largura de Banda de 1Ghz), isso em relação as fibras de multimodo de índice Degrau.
Figura 15 – Fibra Multimodo IG
4.4.2 Fibras Monomodo (SMF Single Mode Fiber)
60
As fibras monomodais são adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias, embora requeiram conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo. Nas fibras monomodais, a luz possui apenas um modo de propagação, ou seja, a luz percorre interior do núcleo por apenas um caminho. As dimensões do núcleo variam entre 8 ηm a 10 ηm, e a casca em torno de 125 ηm. As fibras monomodais também se diferenciam pela variação do índice de refração do núcleo em relação à casca; classificam-se em Índice Degrau Standard, Dispersão Deslocada
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(Dispersion Shifed) ou Non-Zero Dispersion. [3]
Figura 16 – Propagação da luz em monomodal [3]As características destas fibras são muito superiores às multimodos, banda passante mais larga, o que aumenta a capacidade de transmissão. Apresenta perdas mais baixas, aumentando, com isto, a distância entre as transmissões sem o uso de repetidores de sinal. Os enlaces com fibras monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os repetidores.
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As fibras monomodo do tipo dispersão deslocada (dispersion shifted) têm concepção mais moderna que as anteriores e apresentam características com muitas vantagens, como baixíssimas perdas e largura de banda bastante larga. Entretanto, apresentam desvantagem quanto à fabricação, que exige técnicas avançadas e de difícil manuseio (instalação, emendas), com custo muito superior quando comparadas om as fibras do tipo multimodo. [1]
4.2 Reflexão Interna Total
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A Figura mostra raios provenientes de uma fonte puntiformes, no vidro, incidindo sobre a interface vidro-ar. Para o raio a, perpendicular à interface, parte da luz se reflete, e parte passa através da superfície, sem mudar a direção.
Os raios de b até e, que têm, progressivamente, maiores ângulos de incidência na interface, também sofrem reflexão e refração na interface. À medida que o ângulo de incidência aumenta, o ângulo de refração também aumenta, sendo de 90° para o raio e, o que significa que o raio refratado é tangente à interface. Nessa situação, o ângulo de incidência é chamado de ângulo crítico Øc. Para ângulos de
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incidência maiores do que Øc, como os dos raios f, e, g, não há raio refratado, e toda a luz é refletida, efeito conhecido como reflexão interna total.
Figura 17 – A reflexão interna total da luz [10]
Para calcular Øc, usamos a Equação: Associamos arbitrariamente o subscrito 1 ao vidro e o subscrito 2 ao ar, substituímos Ø1, por Øc e Ø2 por 90°, obtendo n1 os Øc = n2
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os 90º encontrando, então Øc= os-1 n2/n1 (ângulo crítico)
Como o seno de um ângulo não pode ser maior do que 1, n2 não pode ser maior do que n1, na equação. Isso nos diz que a reflexão interna total não pode ocorrer quando a luz incidente está num meio que tem o menor índice de refração.
Se a fonte S, na Figura, estivesse no ar, todos os raios incidentes na superfície ar-vidro (incluindo f e g) seriam refletidos e refratados. A reflexão interna total tem encontrado várias aplicações na tecnologia da medicina. Por exemplo, um médico pode pesquisar uma úlcera no estômago de um
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paciente pela simples introdução de dois feixes finos de fibras óticas através da garganta do paciente. A luz introduzida pela extremidade de um dos feixes sofre várias reflexões internas nas fibras, de forma que, mesmo com o feixe sendo submetido a várias curvas, a luz alcança a outra extremidade, iluminando o estômago do paciente. Parte da luz é, então, refletida no interior do estômago e retoma pelo outro feixe, de forma análoga, sendo detectada, e convertida em imagem num monitor de vídeo, oferecendo ao médico uma visão interior do órgão. [10]
A luz propaga-se longitudinalmente até a outra extremidade graças às
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reflexões totais que sofre na interface entre o vidro central (núcleo) e o vidro periférico (casca). [1]
Figura 18 – Reflexão Interna [1]
Isso ocorre porque uma fibra óptica transmite luz de uma extremidade para a outra, com pequena perda pelas laterais da fibra; porque a
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maior parte da luz sofre uma seqüência de reflexões internas totais ao longo dessas laterais. [3]
Figura 19 – Fibra Óptica [10]
5.0 Fabricação da Fibra Óptica
Para aperfeiçoar a características, mecânicas, geométricas e ópticas de uma fibra óptica sua fabricação se efetua, habitualmente, em processos de varias etapas. Além do mais,
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esta forma de fabricação permite uma produção em grandes quantidades, rápida e rentável, atualmente são premissas fundamentais para as telecomunicações ópticas.
Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílicas puras ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras óptica fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações. Todos os processos de fabricação são complexos e caros. A fibra óptica fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas
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características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa faixa de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação. Os processos de fabricação dessas fibras são simples e baratos se comparada com as fibras de sílica pura ou dopada.
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Figura 20 – Fabricação da Preforma [7]
5.1.1 – Fabricação de uma preforma de vidro
Existem vários métodos para a fabricação de uma pré-forma para fibras ópticas. Descreveremos aqui o Método de Deposição de Vapores Químicos. Na figura abaixo mostramos um esquema onde o oxigênio é bombeado juntamente com soluções químicas de Silício e Germânio, entre outras. A mistura correta dos componentes químicos é que vai caracterizar a pré-forma produzida (índice de refração, coeficiente de expansão etc).[1]
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Um tubo especial de sílica ou quartzo (que será a casca da fibra) é preenchido com a mistura de substâncias químicas (que será o núcleo da fibra). Para este processo é utilizada uma espécie de torno que gira constantemente sob o calor de uma chama. Quando a mistura de substâncias é aquecida, o Germânio e o Silício reagem com o oxigênio formando o Dióxido de Silício (SiO2) e o Dióxido de Germânio (GeO2), que se fundem dentro do tubo formando o vidro do núcleo. A fabricação da pré-forma é totalmente automatizada e leva horas para ser completada. [7]
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Depois que a pré-forma esfria passa por testes de qualidade, garantindo a pureza dos vidros fabricados. [1]
Figura 21 – Fabricação da Preforma de Vidro [1]
Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra e a
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diferença entre eles está na etapa de fabricação da preforma (bastão que contém todas as características da fibra óptica, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda etapa de fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.
5.1.1.1 PVCD (Plasma Chemical Vapour Deposition)
A diferença básica deste método, ilustrado abaixo, em relação ao MCVD é que ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-se um plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de microondas para a estimulação
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dos gases no interior do tubo de sílica.
Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo, pois a deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade ressoante. A temperatura para deposição é em torno de 1100oC. As propriedades das fibras fabricadas por este método são idênticas ao MCVD. [7]
Figura 22 – Método PVCD [7]
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5.1.1.2 OVD (Outside Vapour Deposition)
Este processo baseia-se no crescimento da preforma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril. Este mandril é colocado num torno e permanece girando durante o processo de deposição que ocorre sobre o mandril.
Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são depositados no mandril através de camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposição do núcleo e também da casa, e obtém-se preforma de diâmetro
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relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais). Após essas etapas teremos uma preforma porosa (opaca) e com o mandril em seu centro.
Para a retirada do mandril coloca-se a preforma num forno aquecido a 1500oC que provoca a dilatação dos materiais. Através da diferença de coeficiente de dilatação térmica consegue-se soltar o mandril da preforma e a sua retirada. O próprio forno faz também o colapsamento da preforma para torná-la cristalina e maciça.
Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo
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multimodo e monomodo de boa qualidade de transmissão.
Figura 23 – Método OVD [7]
5.1.1.3 VAD (Vapour Axial Deposition)
Neste processo, a casca e o núcleo são depositados mas no sentido do eixo da fibra (sentido axial). Neste processo utilizam-se dois
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queimadores que criam a distribuição de temperatura desejada e também injetam os gases (reagentes). Obtém-se assim uma preforma porosa que é cristalizada num forno elétrico à temperatura de 1500oC. Este processo obtém preforma com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo.
Figura 24 – Método VAD [7]
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5.1.2 Puxamento de uma preforma em uma torre de puxamento
Depois do teste da pré-forma, ela é colocada em uma torre de puxamento conforme a imagem abaixo:
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Figura 25 – Torre de puxamento [1]
Coloca-se a pré-forma em um forno de grafite (com temperaturas de 1.900 a 2.200 Celsius). O vidro da pré-forma derrete e cai por ação da gravidade. Conforme cai, forma um fio que é direcionado, pelo
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operador da torre, a um micrômetro a laser e para recipientes onde receberá camadas de sílica protetora. Um sistema de tração vagarosamente puxa a fibra da pré-forma. Como todo o processo é controlado por computador, o micrômetro a laser controla permanentemente o diâmetro da fibra fazendo com que o sistema de tração puxe mais lentamente ou mais rapidamente a fibra da pré-forma. Geralmente as fibras são puxadas a velocidades entre 10 e 20 m/s. O produto final, ou seja, a fibra óptica é enrolada em carretéis. [1]
DOUBLE CRUCIBLE (Duplo Cadinho)
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Este processo é semelhante ao anterior, mas os vidros vêm na forma de bastão, os quais são introduzidos no forno do puxamento, que contém dois cadinhos. Neste processo, a geometria dos vidros alimentadores não é tão importante como no processo anterior. Neste processo consegue-se a variação do índice de refração através da migração de íons alcalinos que mesclam a concentração dos vidros interno e externo. [7]
Fabricação de fibras de plástico
A fabricação de fibras de plástico é feita por extração. As fibras ópticas obtidas com este método têm características ópticas bem
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inferiores às de sílica, mas possuem resistências mecânicas (esforços mecânicos) bem maiores que as fibras de sílica. Têm grandes aplicações em iluminação e transmissão de informações a curtas distâncias e situações que oferecem grandes esforços mecânicos às fibras. [7]
5.1.3 Testes das fibras puxadas
Os testes mais comuns que os fabricantes de fibras realizam são: tensão mecânica, índice de refração, geometria, atenuação (perdas), largura de banda, dispersão cromática, temperatura de operação, perdas dependentes da
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temperatura de operação, habilidade de condução de luz sob a água.Depois que os carretéis de fibras passam pelos testes de qualidade e são aprovados eles serão vendidos a empresas que fabricam cabos. [1]
6.0 Emendas Ópticas
Uma emenda óptica consiste na junção de 2 ou mais seguimentos de fibras, podendo ser permanente ou temporária. Servem para prolongar um cabo óptico, uma mudança de tipo de cabo, para conexão de um equipamento ativo ou efetuarmos manobras em um sistema de cabeamento estruturado.
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Como características básicas, as emendas apresentam as seguintes características:
- Baixa Atenuação: típica de 0,2 à 0,02dB por emenda;- Alta Estabilidade Mecânica: cerca de 4 kgf de tração;- Aplicações em Campo: requer poucos equipamentos para sua feitura.
Existem três tipos de emendas ópticas:- Emenda por Fusão: as fibras são fundidas entre si;- Emenda Mecânica: as fibras são unidas por meios mecânicos;- Emenda por Conectorização: são
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aplicados conectores ópticos, nas fibras envolvidas na emenda.As emendas ópticas sejam por fusão ou mecânicas, apresentam uma atenuação muito menor que um conector óptico. [8]
6.1 Processo de Emenda
Quando efetuamos um dos 3 tipos de emendas mencionados, devemos obedecer etapas distintas do processo de emenda, estas etapas são necessárias para que possamos ter o desempenho desejado. O processo de emenda consiste nas seguintes operações:
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6.1.1 Limpeza
Os passos envolvidos nesta etapa são:1. Remoção da capa do cabo;2. Remoção do tubo LOOSE;3. Remoção do gel com o uso de álcool isopropílico, utilizando-se algodão, lenços de papel ou gaze.
6.1.2 Decapagem
Esta operação consiste em:1. Remoção do revestimento externo de acrilato da fibra;
2. Limpeza da fibra com álcool isopropílico;
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3. Repetir o processo até que todo o revestimento externo da fibra seja removido.
6.1.3 Clivagem
A clivagem de uma fibra óptica consiste no corte das extremidades das fibras em um ângulo de 90º, ou seja, cada ponta da fibra deve ter sua face paralela. Esta necessidade do ângulo ser de 90º deve-se ao fato de quando fizermos sua emenda, ambas as faces deverão estar paralelas para uma perfeita emenda. É nesta etapa que devemos o máximo de cuidado com o manuseio da fibra, é desta etapa que saíra a fibra pronta para a emenda.
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As clivagens de uma fibra ópticas são feitas usando um equipamento que faz um risco na fibra, analogamente ao corte de um vidro pelo vidraceiro.1. As operações envolvidas são:2. Clivagem da fibra; 3. Limpeza das extremidades com álcool isopropílico. [8]
6.2 Atenuações em Emendas Ópticas
Como já mencionado em conectores ópticos, existem 2 tipos de fatores que influenciam o processo de emenda, que são:
Fatores Intrínsecos Fatores Extrínsecos Fatores Reflexivos
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6.2.1 Fatores Intrínsecos
São os fatores que envolvem a fabricação da fibra óptica, são os seguintes:
Variação do diâmetro do núcleo; Diferença de perfil; Elipticidade ou Excentricidade do núcleo ou casca.
É especialmente crítica a variação do diâmetro do núcleo para as fibras Monomodo.
6.2.2 Fatores Extrínsecos
São os fatores que decorrem do processo de emenda, são os seguintes:
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Precisão no alinhamento da fibra;
Qualidade das terminações da fibra;
Espaçamento entre as extremidades;
Contaminação ambiental.
6.2.3 Fatores Refletores
São os fatores que advém das próprias emendas, estas podem gerar em seu interior, reflexos de luz que irão atenuar os sinais transmitidos, ocasionando perda de potência.
93
Com os equipamentos empregados no processo de emenda, e a constante melhoria na qualidade da fabricação da fibra, este tipo de atenuação é inferior a 50 db. [8]
6.3 Tipos de Emendas Ópticas
Emenda por Fusão: as fibras são fundidas entre si
Emenda Mecânica: as fibras são unidas por meios mecânicos
Emenda por Conectorização: são aplicados conectores ópticos, nas fibras envolvidas na emenda.
6.3.1 Emenda por Fusão
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É o processo pelo qual, 2 seguimentos de fibra são fundidos entre si, através de uma descarga elétrica produzida pelo equipamento.
As etapas envolvidas são:
1. Limpeza2. Decapagem3. Clivagem4. Inserção do protetor de emenda, “Tubete Termo Contrátil”;
5. Colocação das fibras no dispositivo V Groove da máquina de fusão;
6. Aproximação das fibras até cerca de 1µm;
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7. Fusão através de arco voltaico;
8. Colocação do protetor e aquecimento.
Figura 25 – Máquina de Emenda por Fusão – Furukawa [8]
96
Figura 26 – Esquemática do dispositivo de fusão das fibras [8]
6.4 Emenda Óptica Mecânica
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É o processo pelo quais dois seguimentos de fibra são unidos usando-se um Conector Óptico Mecânico. Neste tipo de emenda os processos de limpeza, decapagem e clivagem são iguais ao processo por fusão.
As etapas envolvidas são:
1. Limpeza 2. Decapagem3. Clivagem4. Inserção de cada extremidade da fibra em uma extremidade do conector
5. Verificação da correta posição das fibras
6. Fechamento do conector
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6.5 Emenda Óptica por Conectorização
Neste tipo de emenda, as fibras ópticas não são unidas e sim posicionadas muito perto, isto é conseguido através do uso de um outro tipo de conector chamado de Adaptador, mencionado na parte de conectores. Este tipo de emenda é executado de forma rápida, desde que os conectores já estejam instalados nos cordões ópticos.
Ele é também muito usado em acessórios ópticos chamados de Distribuidores Ópticos, onde fazem a interface entre um cabo vindo de uma sala de equipamentos e os
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equipamentos ativos instalados no andar, no Armário de Telecomunicações.
Figura 27 – Conector Mecânico FIBRLOCK II fechado [8]
100
Figura 28 – Modelo de emenda usando conector, adaptador. [8]
6.6 Perdas por Atenuações
101
6.6.1 Emendas Ópticas
Independente do tipo de método de emenda empregado, seja fusão ou mecânica, sua atenuação máxima é de 0,3dB, de acordo com a EIA /TIA 455 – 59, para medias feitas em campo.
Figura 28 – Tabela Comparativo de Processo de Emenda [2]
6.6.2 Conectores
102
Processo de Emenda
Multimodo (dB)
Monomodo (dB)
Mecânico 0,15 à 0,30 0,15 à 0,30Fusão 0,15 à 0,30 0,15 à 0,30
Quando trabalhamos com conectores ópticos, devemos ter em conta que por mais cuidadosos que sejamos quando da manipulação do conector, este sempre apresentará algum tipo de atenuação. As atenuações presentes em um conector podem ser divididas em:1. Fatores Intrínsecos: aqueles que estão associados a fibra óptica utilizada;
2. Fatores Extrínsecos: são aqueles associados à conectorização.
103
Figura 29 – Diversos tipos de Conectores [6]
7.0 Atenuação
Constitui-se na propriedade mais importante dos meios de transmissão em geral, sendo particularmente relevante quando se trata de meios materiais, como no caso das fibras ópticas. A atenuação pode ser definida como a perda de potência do sinal com a distância, ou seja,
104
se a atenuação for muito grande, o sinal chegará muito fraco ao receptor (ou repetidor), que não conseguirá captar a informação transmitida.
As fibras óticas apresentam perdas muito baixas. Deste modo, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com espaçamento muito grande entre repetidores, o que reduz a complexidade o custo do sistema.
Os mecanismos que provocam atenuação são: absorção, espalhamento, deformações mecânicas.
105
7.1 Absorção
Os tipos básicos de absorção são:
7.1.1 Absorção material
A absorção material é o mecanismo de atenuação que exprime a dissipação de parte da energia transmitida numa fibra óptica em forma de calor. Neste tipo de absorção temos fatores extrínsecos e intrínsecos à própria fibra. Como fatores intrínsecos, temos a absorção do ultravioleta, a qual cresce exponencialmente no sentido do ultravioleta, e a absorção do infravermelho, provocada pela sua vibração e rotação dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio,
106
a qual cresce exponencialmente no sentido do infravermelho. Como fatores extrínsecos, temos a absorção devido aos 107rea metálicos porventura presentes na fibra (Mn, Ni, Cr, U, Co, 107r e Cu) os quais, devido ao seu tamanho, provocam picos de absorção em determinados comprimentos de onda exigindo grande purificação dos materiais que compõem a estrutura da fibra óptica.7.1.2 Absorção do íon OH¯
A absorção do OH¯ (hidroxila) provoca atenuação fundamentalmente no comprimento de onda de 2700 nm e em sobre tons (harmônicos) em torno
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de 950 nm, 1240 nm e 1380 nm na faixa de baixa atenuação da fibra.
Esse íon é comumente chamado de água e é incorporado ao núcleo durante o processo de produção. É muito difícil de ser eliminado.
7.1.3 Absorção Mecânica
As deformações são chamadas de microcurvatura e macrocurvatura, as quais ocorrem ao longo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma durante a confecção e instalação do cabo.
108
A macrocurvatura são perdas pontuais (localizadas) de luz por irradiação, ou seja, os modos de alta ordem (ângulo de incidência próximo ao ângulo crítico) não apresentam condições de reflexão interna total devido a curvaturas de raio finito da fibra óptica.[10]
Figura 30 – Reflexão Interna [6]
As microcurvatura aparecem quando a fibra é submetida a pressão
109
transversal de maneira a comprimi-la contra uma superfície levemente rugosa. Essas microcurvatura extraem parte da energia luminosa do núcleo devido aos modos de alta ordem tornar-se não guiados.
Figura 31 – Reflexão Interna [6]
A atenuação típica de uma fibra de sílica sobrepondo-se todos os efeitos está mostrada na figura abaixo: [10]
110
Figura 32 – Atenuação Fibra óptica [6]
Existem três comprimentos de onda tipicamente utilizados para transmissão em fibras ópticas:
850 nm com atenuação típica de 3 dB/km
1300 nm com atenuação típica de 0,8 dB/km
1550 nm com atenuação típica de 0,2 dB/km
111
7.2 Espalhamento
É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções. Existem vários tipos de espalhamento (Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimulado) sendo o mais importante e significativo o espalhamento de Rayleigh. Esse espalhamento é devido à não homogeneidade microscópica de flutuações térmicas, flutuações de composição, variação de pressões, pequenas bolhas, variação no perfil de índice de refração, etc. [10]
112
Esse espalhamento está sempre presente na fibra óptica e determina o limite mínimo de atenuação nas fibras de sílica na região de baixa atenuação. A atenuação neste tipo de
espalhamento é proporcional a 14 .
7.3 Propriedades das Fibras Óticas
7.3.1 Imunidade a Interferências
Por serem compostas de material dielétrico, as fibras óticas não sofrem interferências eletromagnéticas. Isso permite uma boa utilização dela, mesmo em ambientes eletricamente ruidosos.
113
As fibras óticas podem ser agrupadas em cabos óticos sem interferirem umas nas outras, devido a não existência de irradiação externa de luz, resultando num ruído de diafonia (crosstalk) desprezível. Por não necessitarem de blindagem metálica, podem ser instaladas junto a linhas de transmissão de energia elétrica. [10]
7.3.2 Ausência de diafonia
As fibras adjacentes em um cabo ótico não interferem umas nas outras por não irradiarem luz externamente. Não ocorrendo o mesmo nos cabos metálicos, que quando
114
perdem parte de seu isolamento, ocorre uma irradiação entre pares metálicos adjacentes, ocasionando o fenômeno crosstalk.
7.3.3 Isolação elétrica
O material dielétrico que compõe a fibra proporciona um isolamento elétrico entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras óticas não têm problemas de aterramento com interfaces dos transceptores. Além disso, quando um cabo de fibra é danificado por descarga elétrica, não existe faísca. Isso é importante em áreas
115
de gases voláteis (áreas petroquímicas, minas de carvão, etc.) onde o risco de fogo e explosão é constante. A não existência de choque elétrico permite a reparação em campo, mesmo com os equipamentos ligados. [9]
7.4 Dispersão
É uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica, dada em MHz/km, e está relacionada com a capacidade de transmissão de
116
informação das fibras. Os mecanismos básicos de dispersão são
Modal Cromática
7.4.1 Dispersão Modal
Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Numa fibra degrau, todos os modos viajam com a mesma velocidade, pois o índice de refração é constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem (que percorrem caminho mais longo) demorarão mais tempo para
117
sair da fibra do que os modos de baixa ordem. Neste tipo de fibra, a diferença entre os tempos de chegada é dado por = Δt1, onde;
t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem
Δ é a diferença percentual de índices de refração entre o núcleo e a casca dada por Δ =(n1-n2)/n1
A dispersão modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo será guiado.
7.4.2 Disperção Cromática
Esse tipo de dispersão depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos
118
Dispersão material Dispersão de guia de onda
7.4.2.1 Disperção Material
Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem certa largura espectral finita (Δλ), temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso.
119
A dispersão provocada pela
dispersão material é dada por Ddn
cd
,
onde. Δλ é a largura espectral da fonte luminosa
c é a velocidade da luz no vácuo n é o índice de refração do núcleo
7.4.2.2 Disperção de guia de onda
Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material
120
reduzida (Δλ pequeno em torno de 1300 nm) e é da ordem de alguns os/(nm.km).[2]
8.0 As Vantagens da utilização de Fibras Ópticas
As características especiais das fibras ópticas implicam consideráveis vantagens em relação aos suportes físicos de transmissão convencionais, tais como o par metálico e o cabo coaxial. Mesmo considerando-se o suporte de rádio – freqüência em microondas, à transmissão por fibras ópticas oferece condições bastante vantajosas. As poucas desvantagens no uso de fibras ópticas podem, em
121
geral, ser consideradas transitórias, pois resultam principalmente da relativa imaturidade da tecnologia associada.As principais características das fibras ópticas, estacando suas vantagens como meio de transmissão, são os seguintes:
8.1 Banda passante potencialmente enorme
A transmissão em fibras ópticas é realizada em freqüências ópticas portadoras na faixa espectral de 1014 a 1015 Hz (100 a 1000 THz). Isto significa uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes superior, por exemplo,
122
à capacidade dos atuais sistemas de microondas que operam com uma banda passante útil de 700 MHz. Além de suportar um aumento significativo de número de canais de voz e /ou de vídeo num mesmo circuito telefônico, essa enorme banda passante permite novas aplicações. Atualmente, já estão disponíveis fibras ópticas comerciais com produtos banda passante versus distância superiores a 200 GHz.Km.
Isso contrasta significativamente com os suportes convencionais onde, por exemplo, um cabo coaxial apresenta uma banda passante útil máxima em torno de 400 MHz. A Figura 2.1 compara as características de atenuação
123
(plana) versus freqüência de uma fibra óptica típica com relação a vários suportes de transmissão usados em sistemas telefônicos.
Figura 33 – Atenuação versus freqüência [10]
8.2 Perda de transmissão muito baixa
As fibras ópticas apresentam atualmente perdas de transmissão extremamente baixas, desde
124
atenuações típicas da ordem de 3 a 5 dB/Km na região em torno de 0,85mm até perdas inferiores a 0,2 dB/Km para operação na região de 1,55 mm.
Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de ondas superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda menores, da ordem de centésimos e, até mesmo, milésimos de decibéis por quilômetro.
Desse modo, com fibras ópticas, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com um espaçamento muito grande entre repetidores, o que reduz significativamente a complexidade e
125
custos do sistema. Enquanto, por exemplo, um sistema de microondas convencional exige repetidores a distâncias de ordem de 50 quilômetros, sistemas com fibras ópticas permitem alcançar, atualmente, e distâncias sem repetidores superiores a 200 quilômetros.
Com relação aos suportes físicos metálicos, na Tabela abaixo é feita uma comparação de perdas de transmissão por fibras ópticas de 1ª geração (820nm).
Observe nessa tabela que, ao contrário dos sistemas com suportes metálicos, os sistemas com fibras ópticas têm perdas constantes para
126
as três perdas constantes para as três taxas de transmissão.
Meio de Transmissão
Perdas na Freqüência equivalente a metade da taxa de transmissão (dB/km)1,544 Mbps
6,312Mbps
44,736Mbps
Par trançado 26 AWG
24 48 128
Par trançado 19 AWG
10,8 21 56
Cabo coaxial 0,95mm
2,1 4,5 11
Fibra
óptica
3,5 3,5 3,5
127
Figura 34 – Tabela Comparação de números necessários de repetidores para cabeamento metálico versus cabeamento óptico. [10]
8.3 Imunidade a interferências e ao ruído
As fibras ópticas, por serem compostas de material dielétrico, ao contrário dos suportes de transmissão metálicos, não sofrem interferências eletromagnéticas. Isto permite uma operação satisfatória dos sistemas de transmissão por fibras ópticas mesmo em ambientes eletricamente ruidosos. Interferências causadas por descargas elétricas
128
atmosféricas, pela ignição de motores, pelo chaveamento de relés e por diversas outras fontes de ruído elétrico esbarram na blindagem natural provida pelas fibras ópticas. Por outro lado, existe um excelente confinamento do sinal luminoso propagado pelas fibras ópticas.
Desse modo, não irradiando externamente, as fibras ópticas agrupadas em cabos ópticos não interferem opticamente umas nas outras, resultando num nível de ruído de diafonia (crosstalk) desprezível. Os cabos de fibras ópticas, por não necessitarem de blindagem metálica, podem ser instalados convenientes, por
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exemplo, junto as linhas de transmissão de energia elétrica. A imunidade e pulsos eletromagnéticos (EMP) é outra característica importante das fibras ópticas.
8.4 Isolação elétrica
O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõe a fibra óptica oferece uma excelente isolação elétrica entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrario dos suportes metálicos, as fibras ópticas não tem problemas com aterramento e interfaces dos transceptores. Além disso, quando um cabo de fibra óptica é danificado não existem faíscas de curto-circuito. Esta qualidade das
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fibras ópticas é particularmente interessante para sistemas de comunicação em áreas com gases voláteis (usinas petroquímicas, minas de carvão etc.), onde o risco de fogo ou explosão é muito grande. A possibilidade de choques elétricos em cabos com fibras ópticas permite a sua reparação no campo, mesmo com equipamentos de extremidades ligados. [9]
8.5 Pequeno tamanho e peso
As fibras ópticas têm dimensões comparáveis com as de um fio de cabelo humano. Mesmo considerando-se os encapsulamentos de proteção, o diâmetro e o peso dos cabos
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ópticos são bastante inferiores aos dos equivalentes cabos metálicos. Por exemplo, um cabo óptico de 6,3mm de diâmetro, com uma única fibra de diâmetro 125 um e encapsulamentos plástico, substitui, em termos de capacidade, um cabo de 7,6cm de diâmetro com 900 pares metálicos. Quanto ao peso, um cabo metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por apenas 3,6 quilos de fibra óptica.
A enorme redução dos tamanhos dos cabos, providas pelas fibras ópticas, permite aliviar o problema de espaço e de congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. O efeito combinado do
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tamanho e peso reduzidos faz das fibras ópticas o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites etc. Além disso, os cabos ópticos oferecem vantagens quanto ao armazenamento, transporte, manuseio e instalação em relação aos cabos metálicos de resistência e durabilidade equivalentes.
8.6 Segurança da informação e do sistema
As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, implicando um alto grau de segurança para a informação transportada. Qualquer tentativa de
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captação de mensagens ao longo de uma fibra óptica e facilmente detectada, pois exige o desvio de uma porção considerável de potencia luminosa transmitida. Esta qualidade das fibras ópticas é importante em sistemas de comunicações exigentes quanto à privacidade, tais como nas aplicações militares, bancárias etc. Uma outra característica especial das fibras ópticas, de particular interesse das aplicações militares, é que, ao contrário dos cabos metálicos, as fibras não são localizáveis através de equipamentos medidores de fluxo eletromagnético ou detectores de metal.8.7 Custos potencialmente baixos
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O vidro com que as fibras ópticas são fabricadas é feito principalmente a partir do quartzo, um material que, ao contrário do cobre, é abundante na crosta terrestre. Embora a obtenção de vidro ultra puro envolva um processo sofisticado, ainda relativamente caro, a produção de fibras ópticas em larga escala tende gradualmente a superar esse inconveniente. Com relação aos cabos coaxiais, as fibras ópticas já são atualmente competitivas, especialmente em sistemas de transmissão a longa distância, onde a maior capacidade de transmissão e o maior espaçamento entre repetidores permitidos repercutem
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significativamente nos custos de sistemas.
Em distâncias curtas e/ou sistemas multipontos, os componentes ópticos e os transceptores ópticos ainda podem impactar desfavoravelmente o custo dos sistemas. No entanto, a tendência é de reversão desta situação num futuro não muito distante, em razão do crescente avanço tecnológico e, principalmente, da proliferação das aplicações locais.
8.8 Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura
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As fibras ópticas, por serem compostas basicamente de vidro ou plástico, têm uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua utilização em diversas aplicações. Além disso, as fibras ópticas são menos vulneráveis à ação de líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim para uma maior confiabilidade e vida útil dos sistemas. [10]9.0 Desvantagens
O uso de fibras ópticas, na prática tem as seguintes implicações que podem ser consideradas como desvantagem em relação aos suportes de transmissão convencional:
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9.1 Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos
O manuseio de uma fibra óptica “nua” é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos.
9.2 Dificuldade de conexão das fibras ópticas
As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões e junções.
9.3 Acopladores tipo T com perdas muito altas
É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T
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para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isso repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utilização de fibras ópticas em sistema multiponto.
9.4 Impossibilidade de alimentação remota de repetidores
Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.9.5 Falta de padronização dos componentes ópticos
A relativa imaturidade e o continuo avanço tecnológico não tem facilitado o estabelecimento de
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padrões para os componentes de sistemas de transmissão por fibras ópticas. [10]
10.0 Aplicações da Fibra Óptica
10.1 Fibras Ópticas na Instrumentação
10.1.1 Sensores
Um sensor é um dispositivo que atua como um transdutor: “traduz” o sinal causado pela propriedade física do meio em estudo (como pressão ou temperatura) em um tipo de sinal cujas características têm informações sobre o fenômeno ocorrido.
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A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o distúrbio menos intenso que pode ser medido pode depender de: Variações infinitesimais em algum parâmetro de caracterização da fibra usada, quando a fibra é o próprio elemento sensor;
Mudanças nas propriedades da luz usada, quando a Fibra é o canal através do qual a luz vai e volta do local sob teste. Os sensores a Fibras Ópticas são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ou superiores ao similar convencional. São usadas tanto Fibras monomodo como multimodo. Existem muitos sensores comerciais feitos com Fibras
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Ópticas, para medição de temperatura, pressão, rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc.
10.1.2 Emprego de Fibras Ópticas na construção de sensores:
Sensores interferométricos utilizando Fibras monomodo. São usados dois “braços” de Fibras com comprimentos iguais aos quais é acoplada luz. Um dos braços atua como referência e o outro vai ser submetido a algum distúrbio do ambiente. A luz de saída das duas Fibras é recombinada, formando um padrão de interferência. À medida que o braço sensor sofre as influências do distúrbio, as
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franjas de interferência se deslocam a uma razão que é proporcional à intensidade do distúrbio cuja magnitude se deseja medir;
Se a intensidade de luz acoplada a uma fibra quase monomodo é medida em certo instante de tempo após o qual se submete a fibra a micro-curvaturas (geradas por variações de pressão de ondas acústicas, por exemplo) espera-se uma diminuição na intensidade de saída porque os modos de ordens mais altas encontrarão os seus corte, devido às variações na diferença de índices de refração entre o núcleo e a casca induzidos pelas micro-curvaturas.
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10.1.3 Exemplos de sensores construídos com Fibras Ópticas:
Micro pontas de prova para medição de temperatura: as pontas de prova são equipadas com transdutores nas pontas, os quais possuem um cristal cuja luminescência varia com a temperatura (-50 a +200oC);
Sensores de pressão construídos com o emprego de uma membrana móvel numa das extremidades da Fibra. A Fibra é encapsulada em um cateter e a membrana se movimenta de acordo com a pressão (0 a 300 mm de Hg);
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Sensores químicos construído com o emprego de uma membrana permeável numa das extremidades da Fibra. A membrana contém um indicador reversível que responde a um estímulo químico mudando sua absorção ou luminescência.
10.2 Sistemas de Comunicações
As redes públicas de telecomunicações provêm uma variedade de aplicações para os sistemas de transmissão por fibras ópticas. As aplicações vão desde a pura substituição de cabos metálicos em sistemas de longa distância interligando centrais telefônicas (urbanas e
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interurbanas) até a implantação de novos serviços de comunicações, por exemplo, para as Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI). A utilização de fibras ópticas em cabos submarinos intercontinentais constitui outro exemplo, bastante difundido, de aplicação em sistemas de comunicações de longa distância.
10.3 Rede Telefônica
Uma das aplicações pioneiras das fibras ópticas em sistemas de comunicação corresponde aos sistemas troncos de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas troncos exigem sistemas de transmissão (em
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geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilômetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.
A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas minimizam os custos por circuito telefônico, oferecendo vantagens econômicas significativas.
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10.4 Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
A rede local de assinantes, isto é, a rede física interligando assinantes à central telefônica local, constitui uma importante aplicação potencial de fibras ópticas na rede telefônica. Embora as fibras ópticas não sejam ainda totalmente competitivas com os pares metálicos, a partir da introdução de novos serviços de comunicações (videofone, televisão, dados etc.), através das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), o uso de fibras ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativo.
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10.5 Cabos Submarinos
Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é uma outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem atualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a uns espaçamentos máximos entre repetidores da ordem de 5 a 10 km.
As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas
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de 3ª geração (1,3µm), permitem atualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4ª geração (1,55µm), alcances sem repetidores superiores a 100 km serão perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensão e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para atender à crescente demanda por circuito internacionais de voz e dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite.
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10.6 Uso de Fibras Ópticas na Medicina:
Confecção de endoscópios com feixes de Fibras Ópticas para iluminação;
Uso de Fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser, como:
Cirurgias de descolamento de retina;
Desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traquéia);
Desobstrução de vias venosas (“limpeza” de canais arteriais, evitando pontes de safena);
Uso odontológico: aplicação de sedantes.
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10.7 Laser de Fibra
Emprega-se uma Fibra a base de sílica dopada em seu núcleo com algum elemento terra-rara, como o érbio ou o neodímio. A presença destes elementos em algumas partes por milhão é o bastante para que, após o bombeio, a Fibra floresça com picos intensos em vários comprimentos de onda de extremo interesse como, por exemplo, a 1,55mm (comprimentos de onda onde as Fibras de sílica “normais” podem apresentar mínimos em atenuação e dispersão materiais). A Fibra dopada, adequadamente bombeada, pode ser usada como meio amplificador (o sinal a ser
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amplificado coincide com algum pico de fluorescência) ou como um laser, se inserida entre dois espelhos convenientemente selecionados. [9]
10.8 Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações
A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um repetidor. Sua capacidade de transmissão superior é possível devido a seu pequeno núcleo – entre 5 e 10 mm de diâmetro. Isto limita a luz transmitida a somente um modo
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principal, o que minimiza a distorção dos pulsos de luz, aumentando a distância em que o sinal pode ser transmitido.
Praticamente todas as aplicações de telefonia e CATV (TV a cabo) utilizam a Fibra monomodo em função das maiores taxas de transmissão e menores atenuações do sinal. Redes de dados que requeiram taxas de transmissão de gigabits também precisam utilizar a Fibra monomodo.
A Fibra multimodo é usada em sistemas de comunicação como LANS (Local Área Networks) e WANs (Wide Área Network) em campi universitários, hospitais e empresas. O diâmetro de seu núcleo
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é largo em comparação ao comprimento de onda da luz transmitida. Por isso, a Fibra multimodo propaga mais que um modo de luz. Com seu relativamente grande núcleo, a Fibra multimodo é mais fácil de conectar e unir; é a Fibra escolhida para aplicações de curta distância consistindo de numerosas conexões.
Fibras multimodo de índice gradual também são preferidas quando o bom acoplamento com a fonte de luz é mais importante do que a atenuação do sinal na Fibra, ou ainda quando há preocupação com radiação, uma vez que estas Fibras podem ser construídas com núcleo de pura
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sílica que não é grandemente afetado pela radiação. [11]
10.9 Comunicações
Uma das aplicações militares pioneira no uso da tecnologia de fibras ópticas consiste na simples substituição de suportes de transmissão metálicos nos sistemas de comunicação de voz e dados de baixa velocidade em instalações militares. Além de um melhor desempenho em termos de alcance, banda passante e imunidade ao ruído, as fibras ópticas oferecem a esses sistemas vantagens exclusivas. Por exemplo, a informação transportada pela fibra
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óptica é dificilmente violada ao longo do sistema de transmissão, em razão da característica de isolação eletromagnética e pelas facilidades de localização de derivações de potência óptica ao longo do cabo, garantindo assim um alto grau de privacidade na transmissão de dados “sensíveis” o meio de transmissão pode percorrer sem riscos lugares de armazenamento de combustíveis ou explosivos; o reduzido volume e peso dos cabos ópticos provêm importantes facilidades operacionais no transporte e instalação dos sistemas.
Esta última qualidade das fibras ópticas é particularmente vantajosa em sistemas táticos de comando e
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comunicações, permanentes ou móveis, interligando armamentos sofisticados e unidades militares dispersam. As conexões remotas entre um radar e a estação de processamento de sinais podem, por exemplo, ser mais longas garantindo maior segurança ao pessoal de operação. [9]
A aplicação de fibras ópticas em sistemas de comunicações militares a longa distância, além das motivações básicas das aplicações civis (maior alcance e capacidade de transmissão), busca usufruir as suas qualidades operacionais e de segurança. Por exemplo, nos EUA um enlace óptico 147 km suporta o sistema primário de comunicações
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para controle e testes de mísseis MX e na Coréia do Sul foi construída uma rede de comunicações táticas com 667km de cabos ópticos.
Em nível local, uma das grandes aplicações de fibras ópticas em sistemas militares de comunicações é na realização de barramentos de dados em navios e aviões. Além da melhor desempenho, este tipo de aplicação das fibras ópticas tem na redução de volume e peso uma das suas principais motivações. Um avião bombardeiro, por exemplo, pode ter seu peso reduzido de 1 tonelada se na sua cabeação interna forem utilizadas apenas fibras ópticas. Nos EUA está sendo desenvolvido um helicóptero, o HLX
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(light helicopter, experimental), onde os sistemas de controle de vôo, de armamentos e de dados internos são totalmente baseados na tecnologia de fibras ópticas.10.10 Redes Locais de Computadores
As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de comunicação de dados que costumam ser classificados, segundo as distâncias envolvidas, em redes de computadores de longa distância ou redes locais de computadores.
As redes de computadores a longa distância utilizam-se dos meios de transmissão comum à rede telefônica. Embora geralmente usem técnicas distintas (comutação de
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pacotes, modem etc.) essas redes a longa distância são implantadas ou integradas nos mesmos suportes físicos de transmissão da rede telefônica. Assim sendo, o uso de fibras ópticas em sistemas de comunicação de dados a longa distância acompanha a evolução da aplicação de fibras ópticas na rede telefônica (cabos troncos, cabos submarinos, RDSI etc.)
As redes locais de computadores, utilizadas para interconectar recursos computacionais diversos (computadores, periféricos, banco de dados etc.) numa área privada e geograficamente limitada (prédio, usina, fábrica, campus etc.), caracterizam-se pela especificidade
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e variedade de alternativas tecnológicas quanto ao sistema de transmissão voltada principalmente para aplicações em automação em escritórios e em automação industrial, como requisitos exigentes em termos de confiabilidade, capacidade de uma excelente alternativa de meio de transmissão. Embora os custos e alguns problemas tecnológicos ainda inibam sua competitividade com os suportes convencionais, as fibras ópticas, em determinadas aplicações, apresentam-se como a melhor e às vezes única alternativa de meio de transmissão para as redes locais de computadores.
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10.11 Televisão por Cabo (CATV)
A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é uma outra classe de aplicações bastante difundida. As fibras ópticas têm sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos.Também nos circuitos fechados de TV, associados os sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão. Entretanto, a aplicação maior consumidora de fibras ópticas para
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a transmissão de sinais de vídeo é constituída pelos sistemas de televisão por cabo (CATV).
As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30 km. Além de melhor desempenho, a tecnologia atual de transmissão por
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fibras ópticas é competitiva economicamente e apresenta confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais banda-larga.
10.12 Sistemas de Energia e Transporte
A difusão das fibras ópticas nas redes públicas de telecomunicações tem estimulado a aplicação desse meio de transmissão em sistemas de utilidade pública que provêm suas próprias facilidades de comunicações, tais como os sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e os sistemas de
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transporte ferroviário. As facilidades de comunicações incluem, além de serviços de comunicação telefônica, serviços de telemetria, supervisão e controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de alguns quilômetros ao longo de linhas de transmissão ou linhas férreas. Embora estes sistemas geralmente não requeiram grandes bandas passantes, o uso de fibras ópticas é atraente, principalmente em função de suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação elétrica e baixas perdas. Sistemas de transmissão digital PCM a 2 Mbps, bem como cabos ópticos especiais para este tipo de aplicação têm sido experimentados
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ou colocados em operação comercial nos últimos anos.[9]
10.13 Aplicações da Fibra Óptica para fins Militares
As aplicações militares de fibras ópticas incluem desde sistemas de comunicações de voz e dados a baixa velocidade, onde as fibras ópticas simplesmente substituem suportes metálicos convencionais, até aplicações específicas envolvendo sistemas de navegação e controle de mísseis ou torpedos guiados por cabo. Os sistemas sensores com fibras ópticas também encontram uma boa gama de aplicações militares em navios e aeronaves de um modo em
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geral, ou em aplicações específicas, por exemplo, de defesa submarina. [10]
10.14 Aplicações Específicas
Uma aplicação específica das fibras ópticas no domínio militar é a dos mísseis teleguiados por cabo. Neste tipo de sistema, ilustrado na figura abaixo, um enlace com fibra óptica de alta resistência à tração liga (bidirecionalmente) o míssil a um centro de controle, permitindo um melhor controle de pintaria através da monitoração visual do alvo.
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As qualidades das fibras ópticas em termos de grande banda passante, imunidade a interferências e não vulnerabilidades face aos radares inimigos são essenciais a este tipo de aplicação. Considerando atualmente o maior mercado militar da tecnologia de fibras ópticas, este tipo de aplicação, considerando-se apenas o programa FOG-M (Fiber Optic Guided Missible) nos EUA, deve consumir cerca de 300000 km de fibras ópticas até 1990. Sistemas sensores com fibras ópticas também têm encontrado uma variedade de aplicações no domínio militar. Um dos mais utilizados é o giroscópio óptico que oferece vantagens com aos mecânicos, em termos de maior precisão, peso
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reduzido e maior segurança. A aplicação militar de giroscópios ópticos inclui sistemas de navegação automática em aviões, navios, submarinos, mísseis, espaçonaves, satélites, etc. um outro sistema sensor de interesse para a Marinha é o acústico. Acoplados a redes de cabos ópticos submarinos, os sensores acústicos permitirem implantar, por exemplo, sofisticados sistemas de defesa submarina. [10]
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Figura 35 – Míssil teleguiado por fibra óptica. [10]
11.0 Atualidades
11.1 Mercado Brasileiro
O Brasil é um dos principais consumidores de banda larga da América Latina e, no futuro, será responsável por metade da demanda no continente.
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O país produz mais de 1 milhão de quilômetros de fibra óptica por ano, o que atende 50% das necessidades de consumo do país. A demanda é completada com importações dos Estados Unidos e Japão. De acordo com a Yankee Group consultoria especializada em tecnologia da informação, o país terá em torno de 9,5 milhões de quilômetros de fibras ópticas antes de 2003. Em 1998, o Brasil tinha apenas 2,4 milhões de quilômetros, o que não é muito, levando-se em conta o tamanho do país, mas é um volume razoável comparado com os países de expansões territoriais semelhantes, como China, Rússia e Índia. Porém fica muito atrás dos Estados Unidos e da Europa.
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Este cenário, no entanto, vai passar por algumas transformações. Serão investidos, segundo a Yankee Group, em 2001 e 2002, cerca de US$ 3 bilhões na expansão das redes de comunicação brasileira. [11]
11.2Aplicações futuras
Fuji cria fibra óptica de plástico para mercado doméstico
A Fuji, maior fabricante de filmes fotográficos do Japão, afirmou hoje que desenvolveu uma fibra óptica plástica para comunicações em alta velocidade que será destinada ao uso doméstico.
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O novo produto marca a primeira entrada da Fuji no negócio de fibras em um momento que a fabricante japonesa busca expandir suas fontes de receita.
O preço das ações da companhia subiu com o anúncio e acumulou valorização de 2,87% enquanto a média definida pelo índice Nikkei teve alta de 1,19%.
Uma porta-voz da Fuji não confirmou a informação divulgada pelo jornal de negócios Nihon Keizai Shimbun de que a companhia começaria a vender o produto em março do ano que vem. “Não definimos ainda uma agenda precisa para o lançamento das
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operações”, afirmou a representante.
A companhia afirmou que mensagens ou sinais podem ser transmitidas pela nova fibra plástica com quase a mesma velocidade que a das fibras ópticas de vidro, a mais de 1 Gigabit por segundo.
A demanda por acesso rápido à internet tem crescido a taxas exponenciais no Japão, com o número de usuários de linhas telefônicas ADSL (asymmetric digital subscriber line) somando 3,6 milhões.
O mercado espera que os serviços ADSL, que usam linhas telefônicas de cobre, sejam substituídos nos
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próximos anos por cabos de fibra óptica, que oferecem velocidades muito mais rápidas.
A fibra plástica suporta calor e umidade vai reduzir os custos de instalação dramaticamente, afirmou a porta-voz. A internet chegará finalmente ao Pólo Sul, com a instalação de cerca de dois mil quilômetros de cabos de fibra ótica no planalto polar, uma das regiões mais inóspitas da Terra. [15]
Fibra ótica levará a Internet ao Pólo Sul
O projeto, com custo previsto de US$ 250 milhões (R$ 775 milhões),
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levará anos para ser planejado e instalado, e devem ser um dos maiores desafios já enfrentados pela engenharia na Antártica.
Figura 36 – Vista do Pólo Sul [16]
Sua conclusão, prevista para 2009, revolucionará as comunicações na região.
A Fundação Nacional para a Ciência, nos Estados Unidos, já solicitou uma concorrência da indústria para a construção.
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12.0 Conclusão
Pelo que aqui foi exposto, podemos ver que a utilização das Fibras Ópticas é e será cada vez maior. Além de apresentarem uma ótima relação Custo/Benefício, não existem outros meios de transmissão com parâmetros como: Atenuação, Velocidade de Propagação, Capacidade de Transmissão e, Custos, tão bons quanto aos apresentados pelas Fibras Ópticas.
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Alem da facilidade de instalação, há uma ampla variedade de Cabos de Fibra Óptica, para as mais diversas aplicações e, estão também disponíveis, vários Sistemas de Transmissão Ópticos, por um número muito grande de fabricantes.Some se a isto, o fato que tanto as Fibras Ópticas, quanto os Sistemas de Transmissão Ópticos, estão em contínua evolução e aperfeiçoamento, permitindo hoje a implementação de Redes totalmente Ópticas, superando todas as demais, até hoje existentes.A fibra óptica tem como vantagens indiscutíveis, a alta velocidade ao navegar pela internet, assim como a imunidade a ruído e interferência, dimensões e peso reduzidos e a
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compatibilidade com a tecnologia digital.As fibras também possuem suas desvantagens é acessível somente a cidades cujas zonas possuem instalação, seu custo elevado, sua fragilidade, sua dificuldade de reparação de rompimento de fibras em campo, equipamentos de alto custo.Atualmente vem se modernizando muitas as características da Fibra óptica, enquanto sua cobertura fica mais resistente, existe maior proteção contra imunidade o que significa um uma evolução no uso da fibra, a serviço do progresso que tecnológico em que vivemos no mundo atual.
181
13.0 Referências Bibliográficas
[1]
Site: www.ifi.unicamp.br/foton/site/port/intro.htm
[2]
Site: www.projetoderedes.com.br
[3]
Site: www.richard.ite.br/duvidas69.html
[4]
Site: www.clubedohardaware.com.br/371
[5]
Livro: “Projetos de Redes Locais com Cabeamento Estruturado”, Paulo Coelho, 2003.
[6]
Site: www.projetoresredes.kit.net
[7 Site:
182
] www.lucalm.hpg.ig.com.br/fabricacao.htm
[8]
Site: www.lucalm.hpg.ig.com.br/emendas
[9]
Site www.itweb.com.br/solutions/telecom/fibra_optica/
[10]
Site: www.lucalm.hpg.ig.com.br/vantagens.htm
[11]
Site: www.djmeucci.sites.uol.com.br/fo/fibraopt.htm
[12]
Site: www1.univap.br/~landulfo/pesq1.htm
[15]
Site:www.bbc.co.uk/portuguese/ciencia/020821_polosulir.shtml
[16]
Site: www.projetoderedes.com.br/artigo
183
s/artigo_utilizando_fibra_em_rede.php
184
