Fibras Ópticas
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FIBRA ÓPTICA Allison Bastos César Henrique de Oliveira Pereira Eduardo Assis Rocha Jacqueline dos Santos Marques Freitas João Paulo Alves dos Santos Luiz Carlos Campos Monografia da Disciplina Princípios de Telecomunicações do Programa de Engenharia de Telecomunicações, orientada Pelo Prof. M. Sc. Paulo Tibúrcio Pereira CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
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Conteúdo sobre fibras óticas.
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FIBRA ÓPTICA
Allison BastosCésar Henrique de Oliveira PereiraEduardo Assis RochaJacqueline dos Santos Marques FreitasJoão Paulo Alves dos SantosLuiz Carlos Campos
Monografia da Disciplina Princípios de Telecomunicaçõesdo Programa de Engenharia de Telecomunicações, orientada
Pelo Prof. M. Sc. Paulo Tibúrcio Pereira
UNIBHBelo Horizonte
2004
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
ÍNDICE
Pagina
1.0 Introdução 5
2.0 História 6
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 16
4.3 Estrutura da fibra óptica 22
4.4 Tipos de fibra Óptica 24
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
5.1.2 Puxamento de uma preforma em uma torre
de puxamento
36
1
5.1.3 Testes das fibras puxadas 38
6.0 Emendas Ópticas 39
6.1 Processo de Emenda 40
6.1.1 Limpeza 40
6.1.2 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 42
6.3 Tipos de Emendas Ópticas 42
6.3.1 Emenda por Fusão 43
6.4 Emenda Óptica Mecânica 44
6.5 Emenda Óptica por Conectorização 45
6.6 Perdas por Atenuações 46
6.6.1 Emendas Ópticas 46
6.6.2 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 49
7.2 Espalhamento 51
7.3 Propriedades das Fibras Óticas 52
7.3.1 Imunidade a Interferências 52
7.3.2 Ausência de diafonia 52
7.3.3 Isolação elétrica 53
7.4 Dispersão 53
7.4.1 Dispersão Modal 53
7.4.2 Disperção Cromática 54
2
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 59
8.5 Pequeno tamanho e peso 59
8.6 Segurança da informação e do sistema 60
8.7 Custos potencialmente baixos 61
8.8 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
10.1 Fibras Ópticas na Instrumentação 63
10.1.1 Sensores 63
10.1.2 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 65
3
10.4 Rede Digital de Serviços Integrados
(RDSI)
66
10.5 Cabos Submarinos 66
10.6 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
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
13.0 Referências Bibliográficas 80
1.0 Introdução
4
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 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 (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:
Imunidade a interferências, grande capacidade transmissão,
ausência de ruídos, isolação elétrico, pequeno tamanho e
peso, sigilo de comunicação.
5
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
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.
Figura 1 – Filamentos de Fibra óptica [1]
6
Figura 2 – Linha do Tempo [1]
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.
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.
7
1801: Ritter descobre a parte ultravioleta do
espectro.
1830: Telégrafo com código Morse (digital) chegava a
alcançar mil 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 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.
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.
8
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.
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.
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 telefonia, misturando técnicas
convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a
9
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.
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.
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.
10
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 – 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 AsGa.
Essas empresas exportam produzem os acopladores para o
mercado nacional e para exportação.
11
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.
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 dispositivos de óptica integrada em
vidros. [1]
3.0 Regulamentação
3.1 Normas Técnicas
O que é uma norma?
Uma norma é um grau ou nível de exigência, é uma
excelência, um objetivo para promover interoperabilidade e
12
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 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
3.1.1 Normas para Cabeamento Estruturado Fibra Óptica
ANSI/EIA/TIA TSB72 – Guia para gerenciamento centralizado
de dispositivos de fibra óptica
A 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
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.
13
Data: Publicado 1998.
ANSI/EIA/TIA 526-7 – Especificações técnicas para medidas
ópticas monomodo
Tem 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
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 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
14
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 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]
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
15
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 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.
Observamos experimentalmente que a reflexão e a refração
obedecem às seguintes leis:
16
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)
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 substâncias comuns. No vácuo, por definição, n é
exatamente igual a 1 ; no ar, n é muito próximo de 1,0 (uma
17
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.
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).
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.
18
Figura 6 – Índice de refração do quartzo fundido [10]
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 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
19
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 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 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.
20
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 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]
21
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
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,
22
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 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]
Figura 12 – Estrutura em corte da fibra óptica [1]
23
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 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]
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 propagação, ou seja, a
24
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.
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 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]
25
Figura 14 – Fibra Óptica Multimodo ID [1]
4.4.1.2 Multimodo de Índice Gradual
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 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
26
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)
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 (Dispersion Shifed) ou Non-Zero Dispersion.
[3]
Figura 16 – Propagação da luz em monomodal [3]
27
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.
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
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
28
de 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 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 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
29
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 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 maior parte da luz sofre uma seqüência
de reflexões internas totais ao longo dessas laterais. [3]
30
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,
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
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.
31
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]
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
32
vidro do núcleo. A fabricação da pré-forma é totalmente
automatizada e leva horas para ser completada. [7]
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 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)
33
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 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]
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
34
camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposição do
núcleo e também da casa, e obtém-se preforma de diâmetro
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
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
35
utilizam-se dois 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]
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:
36
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 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
37
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)
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 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
38
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.
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 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]
39
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:
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;
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
40
cuidado com o manuseio da fibra, é desta etapa que saíra a
fibra pronta para a emenda.
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
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
41
São os fatores que decorrem do processo de emenda, são os
seguintes:
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.
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
42
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. Limpeza
2. Decapagem
3. Clivagem
4. 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;
7. Fusão através de arco voltaico;
8. Colocação do protetor e aquecimento.
Figura 25 – Máquina de Emenda por Fusão – Furukawa [8]
43
Figura 26 – Esquemática do dispositivo de fusão das
fibras [8]
6.4 Emenda Óptica Mecânica
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. Decapagem
3. Clivagem
4. Inserção de cada extremidade da fibra em uma
extremidade do conector
5. Verificação da correta posição das fibras
6. Fechamento do conector
6.5 Emenda Óptica por Conectorização
44
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 equipamentos
ativos instalados no andar, no Armário de Telecomunicações.
Figura 27 – Conector Mecânico FIBRLOCK II fechado [8]
45
Figura 28 – Modelo de emenda usando conector, adaptador.
[8]
6.6 Perdas por Atenuações
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
46
Processo de Emenda
Multimodo (dB)
Monomodo (dB)
Mecânico 0,15 à 0,30 0,15 à 0,30
Fusão 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.
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, se a atenuação
for muito grande, o sinal chegará muito fraco ao receptor
(ou repetidor), que não conseguirá captar a informação
transmitida.
47
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.
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, a
qual cresce exponencialmente no sentido do infravermelho.
Como fatores extrínsecos, temos a absorção devido aos 48rea
metálicos porventura presentes na fibra (Mn, Ni, Cr, U, Co,
48r 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¯
48
A absorção do OH¯ (hidroxila) provoca atenuação
fundamentalmente no comprimento de onda de 2700 nm e em
sobre tons (harmônicos) em torno 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.
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]
49
Figura 30 – Reflexão Interna [6]
As microcurvatura aparecem quando a fibra é submetida a
pressão 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]
50
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
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]
51
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.
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 perdem
parte de seu isolamento, ocorre uma irradiação entre pares
metálicos adjacentes, ocasionando o fenômeno crosstalk.
52
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 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 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
53
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 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
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.
A dispersão provocada pela dispersão material é dada por
Ddn
cd
, onde.
54
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 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 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
55
(100 a 1000 THz). Isto significa uma capacidade de
transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes superior,
por exemplo, 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 (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 atenuações típicas
56
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 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 as três perdas constantes para as
três taxas de transmissão.
Meio de TransmissãoPerdas 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
57
Par trançado 19 AWG 10,8 21 56Cabo coaxial 0,95mm 2,1 4,5 11Fibra óptica 3,5 3,5 3,5
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 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 exemplo, junto as linhas de
transmissão de energia elétrica. A imunidade e pulsos
eletromagnéticos (EMP) é outra característica importante
das fibras ópticas.
58
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 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
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.
59
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
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 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
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
60
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 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
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:
61
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
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 padrões para os
componentes de sistemas de transmissão por fibras ópticas.
[10]
62
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.
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 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
63
as influências do distúrbio, as 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.
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);
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
64
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 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 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.
10.4 Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
65
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.
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 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
66
demanda por circuito internacionais de voz e dados, a um
custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite.
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.
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 amplificado coincide com algum
pico de fluorescência) ou como um laser, se inserida entre
dois espelhos convenientemente selecionados. [9]
67
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 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 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
68
Fibras podem ser construídas com núcleo de pura 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 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 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]
69
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
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 (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 pacotes,
70
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 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.
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.
71
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 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 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 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
72
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 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 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,
73
permitindo um melhor controle de pintaria através da
monitoração visual do alvo.
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 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]
Figura 35 – Míssil teleguiado por fibra óptica. [10]
74
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.
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.
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]
11.2 Aplicações futuras
Fuji cria fibra óptica de plástico para mercado doméstico
75
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.
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 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 próximos anos
por cabos de fibra óptica, que oferecem velocidades muito
mais rápidas.
76
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), 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.
77
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.
78
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
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.
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
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Estruturado”, Paulo Coelho, 2003.
[6] Site: www.projetoresredes.kit.net
[7] Site: 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/
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[16] Site:
www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_utilizando_f
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