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Apostila de Fibras Ópticas - Base para ITED
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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 Telecomunica ções do Programa de Engenharia de Telecomunicações, orie ntada
Pelo Prof. M. Sc. Paulo Tibúrcio Pereira
UNIBH Belo Horizonte
2004
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
1
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
2
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
3
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
4
10.3 Rede Telefônica 65
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
5
1.0 Introdução
Quando ouvimos falar sobre comunicação óptica, logo
associamos o assunto ao uso de fibra óptica. A comu nicação
utilizando fibra óptica é realizada através do envi o de um
sinal de luz codificado, dentro do domínio de freqü ência 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 carrega r
milhares de informações digitais a longas distância s sem
perdas significativas. Ao redor do filamento existe m 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 comunicaçõ es
baseados em fibra ópticos utilizam lasers ou dispos itivos
emissores de luz (LEDS). Esses últimos são preferid os por
serem mais eficientes em termos de potência, e devi do a sua
menor largura espectral, que reduz os efeitos de di spersão
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 c abo,
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 trans missão,
ausência de ruídos, isolação elétrico, pequeno tama nho e
peso, sigilo de comunicação.
6
Ao longo desse trabalho será possível se conhecer u m 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 n as
telecomunicações.
2.0 História
2.1 História da Fibra Óptica Mundial
Os primeiros experimentos utilizando fibra óptica o correram
em 1930 na Alemanha, mas as pesquisas sobre suas
propriedades e características se iniciaram por vol ta de
1950. Hoje, as fibras ópticas são largamente utiliz adas e
representam uma revolução na transmissão de informa ções.
Hoje em dia, as fibras ópticas utilizadas em sistem as 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 com umente
utilizados pela maioria dos usuários da Internet.
Figura 1 – Filamentos de Fibra óptica [1]
7
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 aparece ram
após o surgimento dos famosos cristais venezianos, na
época da Renascença. Os princípios da fibra óptica são
conhecidos desde a Antigüidade e foram utilizados e m
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
8
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 km, o equivalente a velocidade de 10 b its
por segundo, com os repetidores.
• 1864: O físico teórico escocês, James C. Maxwell
(1831-1879), criou o termo campo eletromagnético ap ós
a publicação da sua teoria eletromagnética da luz.
• 1866: Primeira transmissão transatlântica de
telégrafo.
• 1870: John Tyndal (1820-1893) mostrou a Royal Socie ty
que a luz se curva para acompanhar um esguicho d’ág ua,
ou seja, pode ser guiada pela água.
• 1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bel l
• 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 sin ais
elétricos (telefone óptico).
• 1926: John L. Baird patenteia uma TV a cores primit iva
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.
9
• 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 inven ta
a fibra óptica: desenvolveram a idéia de uma capa d e
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), constr uiu
o primeiro laser a cristal de rubi.
• 1961: Javan e colaboradores construíram o primeiro
laser a gás HeNe, para a região do infravermelho (1 150
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 heteroestrutur a,
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.
10
• 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 d a
fibra para 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 fabricaç ão
de fibras ópticas com perdas menores do que 1,5 dB/ km,
para as mais diversas aplicações.
• 1979: MYA e colaboradores, Japão, anunciam a primei ra
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 nu la
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 óptic os
dopados com érbio.
• 1994: Introduzida a fibra de dispersão nula (NZD) e m
1500 nm – G655.
• 2001: A fibra óptica movimenta cerca de 30 bilhões de
dólares a cada ano.
• 2004: As pesquisas avançam em direção à caracteriza ção
e fabricação de fibras fotônicas.
11
2.2 História da Fibra Óptica no Brasil
Unicamp foi à primeira instituição brasileira a pes quisar
as fibras ópticas. O Grupo de Fibras Ópticas do Ins tituto
de Física Gleb Wataghin foi formado em 1975 para
desenvolver o processo de fabricação de fibras e fo rmar
recursos humanos nesta área.
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 téc nicas de
caracterização das fibras. Este desenvolvimento foi
transferido, juntamente com as pessoas treinadas, p ara o
CPQD – Centro de Pesquisas e Desenvolvimento em
Telecomunicações (empresa pertencente à holding das
Empresas de Telecomunicações – a Telebrás) onde con tinuou-
se com a construção de uma planta piloto para fabri cação,
bem como otimização do processo. O CPQD transferiu a
tecnologia para as empresas ABC-Xtal, Bracel, Avibr ás,
Pirelli e Sid, que hoje produzem a maior parte das fibras
12
utilizadas no Brasil. Acopladores por fusão a fibra , que
servem para juntar os núcleos duas ou mais fibras,
desenvolvidos nos laboratórios do grupo foram repas sados ao
CPQD, juntamente com os recursos humanos. Esta tecn ologia
foi transferida para as empresas AGC-Optosystems e AsGa.
Essas empresas exportam produzem os acopladores par a 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 ati vidades
de pesquisa que fossem temas de teses de doutoramen to.
Desenvolveu-se, assim, os primeiros amplificadores a fibra
dopada com Érbio no país, processos originais de fa bricação
de vidros especiais, técnicas de óptica não linear e de
lasers de pulsos ultra-curtos para o estudo de fenô menos
ultra-rápidos.
Dadas as atividades desenvolvidas nos últimos anos, o grupo
passou a ser chamado de Grupo de Fenômenos Ultra-Rá pidos e
Comunicações Ópticas. Este grupo é pioneiro no Bras il 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 vi dros
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 inte grada em
vidros. [1]
13
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 interoperabil idade e
confiabilidade em sistemas estruturados. As normas para
cabeamento estruturado definem um sistema geral par a redes
de telecomunicações, criando um ambiente heterogêne o.
Essas normas nasceram com a necessidade de padroniz ar
soluções para sistemas de cabeamento de telecomunic ações
que pudesse abrigar equipamentos de vários fabrican tes.
Existem organizações responsáveis pela elaboração e
coordenação de padrões usados pela indústria, gover no e
outros setores.
Vamos citar apenas os órgãos que interferem na Fibr a
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 Ópti ca
ANSI/EIA/TIA TSB72 – Guia para gerenciamento centra lizado
de dispositivos de fibra óptica
A intenção deste boletim e especificar conjunto de
diretrizes para administrar sistemas de fibra óptic as no
ambiente da sala de equipamentos utilizando sistema de
racks e armários de telecomunicações.
14
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 termin ações,
componentes passivos, fontes de luz, calibração e
interpretação de resultados.
Data: Publicado 1998.
ANSI/EIA/TIA 526-7 – Especificações técnicas para m edidas
ópticas monomodo
Tem a mesma função do documento anterior, só que pa ra
fibras monomodo.
Data: Atualmente em votação na EIA/TIA.
ANSI/EIA/TIA 568 – Componentes para Cabeamento de f ibra
óptica
Esta norma especifica os requerimentos mínimos para
componentes de fibra óptica, tais como cabos, conec tores,
hardware de conexão, patch cords e equipamento de t este 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 n os
estudos efetuados pelo físico inglês John Tyndall d e que a
luz poderia descrever uma trajetória curva dentro d e um
15
material (no experimento de Tyndall esse material e ra
água), pode concluir suas experiências que o levara m à
invenção da fibra óptica. A fibra óptica é um excel ente
meio de transmissão utilizado em sistemas que exige m alta
largura de banda, tais como: o sistema telefônico,
videoconferência, redes locais (LANs), etc. Há basi camente
duas vantagens das fibras ópticas em relação aos ca bos
metálicos: A fibra óptica é totalmente imune a
interferências eletromagnéticas, o que significa qu e os
dados não serão corrompidos durante a transmissão. Outra
vantagem é que a fibra óptica não conduz corrente e létrica,
logo não haverá problemas com eletricidade, como pr oblemas
de diferença de potencial elétrico ou problemas com raios.
O princípio fundamental que rege o funcionamento da s fibras
ópticas é o fenômeno físico denominado reflexão tot al da
luz. Para que haja a reflexão total a luz deve sair de um
meio mais para um meio menos refringente, e o ângul o 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 p essoa à
beira de um lago de águas calmas e límpidas. Se ela olhar
próximo a seus pés possivelmente verá os peixes e a
16
vegetação em baixo da água. Se, ao contrário, obser var a
outra borda do lago verá refletido na água as image ns 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
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 f eixe,
para fora da superfície, como se tivesse se origina do
naquela superfície. A outra parte é refratada, isto é, se
propaga como um feixe através da superfície para de ntro do
vidro. A menos que o feixe incidente seja perpendic ular ao
vidro, a luz sempre muda a direção de sua trajetóri a quando
atravessa uma superfície, por isso, dizemos que o f eixe
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 re tas
traçadas perpendicularmente às frentes de onda, que indicam
a direção do movimento dessas ondas. O ângulo de in cidência
Ø1 o ângulo de reflexão Ø1’ e o ângulo de refração Ø2 ,
também estão sendo mostrados. Observe que cada um d esses
ângulos é medido entre a normal à superfície e o ra io
correspondente. O plano que contém o raio incidente e a
normal à superfície é chamado de plano de incidênci a. Na
Figura, o plano de incidência é o plano da página.
17
Observamos experimentalmente que a reflexão e a ref ração
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)
• 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 r efração
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 v ácuo e
de algumas substâncias comuns. No vácuo, por defini ção, n é
18
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, exce to o
vácuo, depende do comprimento de onda da luz. A Fig ura
mostra essa dependência para o quartzo fundido. Uma vez
definido n, a luz de diferentes comprimentos de ond a tem
velocidades diferentes num certo meio. Além disso, ondas
luminosas de comprimentos de onda diferentes são re fratadas
com ângulos diferentes ao atravessarem uma superfíc ie.
Assim, quando um feixe de luz, consistindo em compo nentes
com diferentes comprimentos de onda, incide numa su perfície
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 crom ática,
onde “dispersão” significa a separação dos comprime ntos de
onda, ou cores, e “cromática” significa a associaçã o da cor
ao seu comprimento de onda. Na Figura, não há dispe rsão
cromática, porque o feixe é monocromático (de uma ú nica cor
ou comprimento de onda).
O índice de refração em um meio é, geralmente, maio r para
um comprimento de onda menor (luz azul), do que par a um
comprimento de onda maior (luz vermelha). Isso sign ifica
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.
19
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 o nda,
pequeno, que corresponde a um índice de refração ma is alto,
tem um desvio mais acentuado, ao penetrar no quartz o, 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, incid indo 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 v ermelho,
o ângulo de refração Ø2b, do componente azul, é men or do
que o ângulo de refração Ø2b’ do componente vermelh o. A
Figura mostra um raio de luz branca passando pelo v idro e
20
incidindo na superfície de separação vidro-ar. O co mponente
azul é, novamente, mais refratado que o vermelho, m as agora
Ø2b > Ø2r.
Para aumentar a separação das cores, podemos usar u m prisma
sólido de vidro, com seção triangular transversal, como na
Figura. A dispersão na primeira superfície é aument ada 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 interceptad a por
uma gota de chuva, parte da luz se refrata para o i nterior
da gota, se reflete na superfície interna e, a segu ir, se
refrata para fora da gota. Como no prisma, a primei ra
refração separa a luz do Sol em seus componentes co loridos,
e a segunda refração aumenta a separação.
21
Quando seus olhos interceptam as cores separadas pe las
gotas de chuva, o vermelho vem das gotas ligeiramen te mais
inclinadas que aquelas de onde vem a cor azul, e as cores
intermediárias vêm das gotas com ângulos intermediá rios. As
gotas que separam as cores subtendem um ângulo de c erca de
42°, a partir de um ponto diretamente oposto ao Sol . Se a
chuva é forte e brilhantemente iluminada, você vê u m 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]
22
Figura 10 – Um arco-íris e a separação das cores [1 0]
4.3 Estrutura da fibra óptica
As fibras ópticas são constituídas basicamente de m ateriais
dielétricos (isolantes) que, como já dissemos, perm item
total imunidade a interferências eletromagnética; u ma
região cilíndrica composta de uma região central,
denominada núcleo, por onde passa a luz; e uma regi ão
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 p ureza,
23
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 d a 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]
24
• 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 a o
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 fei tas
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: Multimod ais 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 monomodai s, de
25
modo que a luz tenha vários modos de propagação, ou seja, a
luz percorre o interior da fibra óptica por diverso s
caminhos. E também porque os conectores e transmiss ores
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 r eflexão.
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 homogêne o de
índice de refração constante e sempre superior ao d a casca.
As fibras de índice degrau possuem mais simplicidad e em sua
fabricação e, por isto, possuem características inf eriores
aos outros tipos de fibras a banda passante é muito
estreita, o que restringe a capacidade de transmiss ão da
fibra. As perdas sofridas pelo sinal transmitido sã o
bastante altas quando comparadas com as fibras mono modo, o
que restringe suas aplicações com relação à distânc ia e à
capacidade de transmissão. [1]
26
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 alarg amento
do impulso luminoso. São fibras mais utilizadas que as de
índice degrau. Sua fabricação é mais complexa porqu e
somente conseguimos o índice de refração gradual do pando
com doses diferentes o núcleo da fibra, o que faz c om que o
índice de refração diminua gradualmente do centro d o núcleo
até a casca. Mas, na prática, esse índice faz com q ue os
raios de luz percorram caminhos diferentes, com vel ocidades
diferentes, e chegue à outra extremidade da fibra a o mesmo
tempo praticamente, aumentando a banda passante e,
conseqüentemente, a capacidade de transmissão da fi bra
óptica. [1]
São fibras que com tecnologia de fabricação mais co mplexa e
possuem característica principais uma menor atenuaç ão
1dBm/km, maior capacidade de transmissão de dados ( largura
27
de Banda de 1Ghz), isso em relação as fibras de mul timodo
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 conec tores
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 núc leo
por apenas um caminho. As dimensões do núcleo varia m
entre 8 ηm a 10 ηm, e a casca em torno de 125 ηm. As
fibras monomodais também se diferenciam pela variaç ão do
índice de refração do núcleo em relação à casca;
classificam-se em Índice Degrau Standard, Dispersão
Deslocada (Dispersion Shifed) ou Non-Zero Dispersio n.
[3]
Figura 16 – Propagação da luz em monomodal [3]
28
As características destas fibras são muito superior es às
multimodos, banda passante mais larga, o que aument a a
capacidade de transmissão. Apresenta perdas mais ba ixas,
aumentando, com isto, a distância entre as transmis sões sem
o uso de repetidores de sinal. Os enlaces com fibra s
monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os
repetidores.
As fibras monomodo do tipo dispersão deslocada (dis persion
shifted) têm concepção mais moderna que as anterior es e
apresentam características com muitas vantagens, co mo
baixíssimas perdas e largura de banda bastante larg a.
Entretanto, apresentam desvantagem quanto à fabrica ção, que
exige técnicas avançadas e de difícil manuseio (ins talação,
emendas), com custo muito superior quando comparada s 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, se m mudar
a direção.
Os raios de b até e, que têm, progressivamente, mai ores
ângulos de incidência na interface, também sofrem r eflexão
e refração na interface. À medida que o ângulo de
incidência aumenta, o ângulo de refração também aum enta,
sendo de 90° para o raio e, o que significa que o r aio
refratado é tangente à interface. Nessa situação, o ângulo
de incidência é chamado de ângulo crítico Øc. Para ângulos
29
de incidência maiores do que Øc, como os dos raios f, e, g,
não há raio refratado, e toda a luz é refletida, ef eito
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 r efração.
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 t em
encontrado várias aplicações na tecnologia da medic ina. Por
exemplo, um médico pode pesquisar uma úlcera no est ômago de
um paciente pela simples introdução de dois feixes finos de
fibras óticas através da garganta do paciente. A lu z
introduzida pela extremidade de um dos feixes sofre várias
reflexões internas nas fibras, de forma que, mesmo com o
30
feixe sendo submetido a várias curvas, a luz alcanç a a
outra extremidade, iluminando o estômago do pacient e. 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, oferecen do ao
médico uma visão interior do órgão. [10]
A luz propaga-se longitudinalmente até a outra extr emidade
graças às reflexões totais que sofre na interface e ntre o
vidro central (núcleo) e o vidro periférico (casca) . [1]
Figura 18 – Reflexão Interna [1]
Isso ocorre porque uma fibra óptica transmite luz d e uma
extremidade para a outra, com pequena perda pelas l aterais
da fibra; porque a maior parte da luz sofre uma seq üência
de reflexões internas totais ao longo dessas latera is. [3]
31
Figura 19 – Fibra Óptica [10]
5.0 Fabricação da Fibra Óptica
Para aperfeiçoar a características, mecânicas, geom étricas
e ópticas de uma fibra óptica sua fabricação se efe tua,
habitualmente, em processos de varias etapas. Além do mais,
esta forma de fabricação permite uma produção em gr andes
quantidades, rápida e rentável, atualmente são prem issas
fundamentais para as telecomunicações ópticas.
Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas
são sílicas puras ou dopada, vidro composto e plást ico. As
fibras óptica fabricadas de sílica pura ou dopada s ão as
que apresentam as melhores características de trans missão e
são as usadas em sistemas de telecomunicações. Todo s os
processos de fabricação são complexos e caros. A fi bra
óptica fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas
características de transmissão (possuem alta atenua ção 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 d e
fabricação dessas fibras são simples e baratos se c omparada
com as fibras de sílica pura ou dopada.
32
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 mos tramos
um esquema onde o oxigênio é bombeado juntamente co m
soluções químicas de Silício e Germânio, entre outr as. A
mistura correta dos componentes químicos é que vai
caracterizar a pré-forma produzida (índice de refra ção,
coeficiente de expansão etc).[1]
Um tubo especial de sílica ou quartzo (que será a c asca da
fibra) é preenchido com a mistura de substâncias qu ímicas
(que será o núcleo da fibra). Para este processo é
utilizada uma espécie de torno que gira constanteme nte sob
o calor de uma chama. Quando a mistura de substânci as é
aquecida, o Germânio e o Silício reagem com o oxigê nio
formando o Dióxido de Silício (SiO2) e o Dióxido de
Germânio (GeO2), que se fundem dentro do tubo forma ndo o
33
vidro do núcleo. A fabricação da pré-forma é totalm ente
automatizada e leva horas para ser completada. [7]
Depois que a pré-forma esfria passa por testes de
qualidade, garantindo a pureza dos vidros fabricado s. [1]
Figura 21 – Fabricação da Preforma de Vidro [1]
Existem 4 tipos de processos de fabricação deste ti po de
fibra e a diferença entre eles está na etapa de fab ricação
da preforma (bastão que contém todas as característ icas 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
34
oxigênio e hidrogênio, usa-se um plasma não isotérm ico
formado por uma cavidade ressonante de microondas p ara 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 dev ido à
simetria circular da cavidade ressoante. A temperat ura 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 tor no e
permanece girando durante o processo de deposição q ue
ocorre sobre o mandril.
Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e o s
cristais de vidro são depositados no mandril atravé s de
camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposiç ão do
núcleo e também da casa, e obtém-se preforma de diâ metro
35
relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande
comprimento (40 km ou mais). Após essas etapas tere mos uma
preforma porosa (opaca) e com o mandril em seu cent ro.
Para a retirada do mandril coloca-se a preforma num forno
aquecido a 1500oC que provoca a dilatação dos mater iais.
Através da diferença de coeficiente de dilatação té rmica
consegue-se soltar o mandril da preforma e a sua re tirada.
O próprio forno faz também o colapsamento da prefor ma para
torná-la cristalina e maciça.
Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo
multimodo e monomodo de boa qualidade de transmissã o.
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 pro cesso
utilizam-se dois queimadores que criam a distribuiç ão de
temperatura desejada e também injetam os gases (rea gentes).
36
Obtém-se assim uma preforma porosa que é cristaliza da num
forno elétrico à temperatura de 1500oC. Este proces so 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:
37
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 to rre, a
um micrômetro a laser e para recipientes onde receb erá
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 fazend o com
que o sistema de tração puxe mais lentamente ou mai s
rapidamente a fibra da pré-forma. Geralmente as fib ras são
38
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 vidr os vêm
na forma de bastão, os quais são introduzidos no fo rno do
puxamento, que contém dois cadinhos. Neste processo , a
geometria dos vidros alimentadores não é tão import ante
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 int erno e
externo. [7]
Fabricação de fibras de plástico
A fabricação de fibras de plástico é feita por extr ação. As
fibras ópticas obtidas com este método têm caracter ísticas
ópticas bem inferiores às de sílica, mas possuem
resistências mecânicas (esforços mecânicos) bem mai ores que
as fibras de sílica. Têm grandes aplicações em ilum inação e
transmissão de informações a curtas distâncias e si tuações
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, di spersão
cromática, temperatura de operação, perdas dependen tes da
39
temperatura de operação, habilidade de condução de luz sob
a água.
Depois que os carretéis de fibras passam pelos test es de
qualidade e são aprovados eles serão vendidos a emp resas
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, u ma
mudança de tipo de cabo, para conexão de um equipam ento
ativo ou efetuarmos manobras em um sistema de cabea mento
estruturado.
Como características básicas, as emendas apresentam as
seguintes características:
- Baixa Atenuação: típica de 0,2 à 0,02dB por emend a;
- Alta Estabilidade Mecânica: cerca de 4 kgf de tra ção;
- Aplicações em Campo: requer poucos equipamentos p ara 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 conector es
ópticos, nas fibras envolvidas na emenda.
As emendas ópticas sejam por fusão ou mecânicas, ap resentam
uma atenuação muito menor que um conector óptico. [ 8]
40
6.1 Processo de Emenda
Quando efetuamos um dos 3 tipos de emendas menciona dos,
devemos obedecer etapas distintas do processo de em enda,
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 fibr a;
2. Limpeza da fibra com álcool isopropílico;
3. Repetir o processo até que todo o revestimento exte rno
da fibra seja removido.
6.1.3 Clivagem
A clivagem de uma fibra óptica consiste no corte da s
extremidades das fibras em um ângulo de 90º, ou sej a, cada
ponta da fibra deve ter sua face paralela. Esta nec essidade
do ângulo ser de 90º deve-se ao fato de quando fize rmos sua
emenda, ambas as faces deverão estar paralelas para uma
41
perfeita emenda. É nesta etapa que devemos ter o má ximo de
cuidado com o manuseio da fibra, é desta etapa que sairá 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, qu e são:
• Fatores Intrínsecos
• Fatores Extrínsecos
• Fatores Reflexivos
6.2.1 Fatores Intrínsecos
São os fatores que envolvem a fabricação da fibra ó ptica,
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 n úcleo
para as fibras Monomodo.
42
6.2.2 Fatores Extrínsecos
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, esta s podem
gerar em seu interior, reflexos de luz que irão ate nuar os
sinais transmitidos, ocasionando perda de potência.
Com os equipamentos empregados no processo de emend a, e a
constante melhoria na qualidade da fabricação da fi bra,
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.
43
6.3.1 Emenda por Fusão
É o processo pelo qual, 2 seguimentos de fibra são fundidos
entre si, através de uma descarga elétrica produzid a 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]
44
Figura 26 – Esquemática do dispositivo de fusão das
fibras [8]
6.4 Emenda Óptica Mecânica
É o processo pelo quais dois seguimentos de fibra s ão
unidos usando-se um Conector Óptico Mecânico. Neste tipo de
emenda os processos de limpeza, decapagem e clivage m 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
45
6.5 Emenda Óptica por Conectorização
Neste tipo de emenda, as fibras ópticas não são uni das e
sim posicionadas muito perto, isto é conseguido atr avés do
uso de um outro tipo de conector chamado de Adaptad or,
mencionado na parte de conectores. Este tipo de eme nda é
executado de forma rápida, desde que os conectores já
estejam instalados nos cordões ópticos.
Ele é também muito usado em acessórios ópticos cham ados de
Distribuidores Ópticos, onde fazem a interface entr e um
cabo vindo de uma sala de equipamentos e os equipam entos
ativos instalados no andar, no Armário de Telecomun icações.
Figura 27 – Conector Mecânico FIBRLOCK II fechado [ 8]
46
Figura 28 – Modelo de emenda usando conector, adapt ador.
[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 Emend a [2]
Processo de Multimodo Monomodo
Mecânico 0,15 à 0,30 0,15 à 0,30
Fusão 0,15 à 0,30 0,15 à 0,30
47
6.6.2 Conectores
Quando trabalhamos com conectores ópticos, devemos ter em
conta que por mais cuidadosos que sejamos quando da
manipulação do conector, este sempre apresentará al gum tipo
de atenuação. As atenuações presentes em um conecto r 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 mei os de
transmissão em geral, sendo particularmente relevan te
quando se trata de meios materiais, como no caso da s fibras
ópticas. A atenuação pode ser definida como a perda de
potência do sinal com a distância, ou seja, se a at enuação
for muito grande, o sinal chegará muito fraco ao re ceptor
48
(ou repetidor), que não conseguirá captar a informa ção
transmitida.
As fibras óticas apresentam perdas muito baixas. De ste
modo, é possível implantar sistemas de transmissão de longa
distância com espaçamento muito grande entre repeti dores, 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 f ibra
óptica em forma de calor. Neste tipo de absorção te mos
fatores extrínsecos e intrínsecos à própria fibra. Como
fatores intrínsecos, temos a absorção do ultraviole ta, a
qual cresce exponencialmente no sentido do ultravio leta, e
a absorção do infravermelho, provocada pela sua vib ração e
rotação dos átomos em torno da sua posição de equil íbrio, a
qual cresce exponencialmente no sentido do infraver melho.
Como fatores extrínsecos, temos a absorção devido a os �rea
metálicos porventura presentes na fibra (Mn, Ni, Cr , U, Co,
�r e Cu) os quais, devido ao seu tamanho, provocam p icos de
absorção em determinados comprimentos de onda exigi ndo
grande purificação dos materiais que compõem a estr utura da
fibra óptica.
49
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 de 950 nm, 1240 nm e 1380
nm na faixa de baixa atenuação da fibra.
Esse íon é comumente chamado de água e é incorporad o ao
núcleo durante o processo de produção. É muito difí cil 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 confe cção e
instalação do cabo.
A macrocurvatura são perdas pontuais (localizadas) de luz
por irradiação, ou seja, os modos de alta ordem (ân gulo de
incidência próximo ao ângulo crítico) não apresenta m
condições de reflexão interna total devido a curvat uras de
raio finito da fibra óptica.[10]
50
Figura 30 – Reflexão Interna [6]
As microcurvatura aparecem quando a fibra é submeti da a
pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma
superfície levemente rugosa. Essas microcurvatura e xtraem
parte da energia luminosa do núcleo devido aos modo s de
alta ordem tornar-se não guiados.
Figura 31 – Reflexão Interna [6]
A atenuação típica de uma fibra de sílica sobrepond o-se
todos os efeitos está mostrada na figura abaixo: [1 0]
51
Figura 32 – Atenuação Fibra óptica [6] Existem três comprimentos de onda tipicamente utili zados
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 propa gação em
várias direções. Existem vários tipos de espalhamen to
(Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimul ado)
sendo o mais importante e significativo o espalhame nto de
Rayleigh. Esse espalhamento é devido à não homogene idade
microscópica de flutuações térmicas, flutuações de
composição, variação de pressões, pequenas bolhas, variação
no perfil de índice de refração, etc. [10]
52
Esse espalhamento está sempre presente na fibra ópt ica e
determina o limite mínimo de atenuação nas fibras d e sílica
na região de baixa atenuação. A atenuação neste tip o de
espalhamento é proporcional a
14λ .
7.3 Propriedades das Fibras Óticas
7.3.1 Imunidade a Interferências
Por serem compostas de material dielétrico, as fibr as
óticas não sofrem interferências eletromagnéticas. Isso
permite uma boa utilização dela, mesmo em ambientes
eletricamente ruidosos.
As fibras óticas podem ser agrupadas em cabos ótico s sem
interferirem umas nas outras, devido a não existênc ia de
irradiação externa de luz, resultando num ruído de diafonia
(crosstalk) desprezível. Por não necessitarem de bl indagem
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 interfere m umas
nas outras por não irradiarem luz externamente. Não
ocorrendo o mesmo nos cabos metálicos, que quando p erdem
parte de seu isolamento, ocorre uma irradiação entr e pares
metálicos adjacentes, ocasionando o fenômeno crosst alk.
53
7.3.3 Isolação elétrica
O material dielétrico que compõe a fibra proporcion a um
isolamento elétrico entre os transceptores ou estaç ões
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 exist e
faísca. Isso é importante em áreas de gases volátei s (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 equipame ntos
ligados. [9]
7.4 Dispersão
É uma característica de transmissão que exprime o
alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamen to
determina a largura de banda da fibra óptica, dada em
MHz/km, e está relacionada com a capacidade de tran smissão
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 basicame nte
pelos vários caminhos possíveis de propagação (modo s) que a
luz pode ter no núcleo. Numa fibra degrau, todos os modos
54
viajam com a mesma velocidade, pois o índice de ref ração é
constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem
(que percorrem caminho mais longo) demorarão mais t empo
para sair da fibra do que os modos de baixa ordem. Neste
tipo de fibra, a diferença entre os tempos de chega da é
dado por �= ∆t1, onde;
• t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem
• ∆ é a diferença percentual de índices de refração
entre o núcleo e a casca dada por ∆ =(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 on da 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 ( ∆λ), temos
que cada comprimento de onda enxerga um valor difer ente de
índice de refração num determinado ponto, logo cada
comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade
diferente, provocando uma diferença de tempo de per curso,
causando a dispersão do impulso luminoso.
55
A dispersão provocada pela dispersão material é dad a por
Ddn
cd= ∆λ
λ , onde.
• ∆λ 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 na s
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 per cebida
em fibras monomodo que tem dispersão material reduz ida ( ∆λ
pequeno em torno de 1300 nm) e é da ordem de alguns
os/(nm.km).[2]
As Vantagens da utilização de Fibras Ópticas
As características especiais das fibras ópticas imp licam
consideráveis vantagens em relação aos suportes fís icos de
transmissão convencionais, tais como o par metálico e o
cabo coaxial. Mesmo considerando-se o suporte de rá dio –
freqüência em microondas, à transmissão por fibras ópticas
oferece condições bastante vantajosas. As poucas
desvantagens no uso de fibras ópticas podem, em ger al, ser
consideradas transitórias, pois resultam principalm ente da
relativa imaturidade da tecnologia associada.
As principais características das fibras ópticas, e stacando
suas vantagens como meio de transmissão, são os seg uintes:
56
8.1 Banda passante potencialmente enorme
A transmissão em fibras ópticas é realizada em freq üências
ópticas portadoras na faixa espectral de 1014 a 101 5 Hz
(100 a 1000 THz). Isto significa uma capacidade de
transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes supe rior,
por exemplo, à capacidade dos atuais sistemas de mi croondas
que operam com uma banda passante útil de 700 MHz. Além de
suportar um aumento significativo de número de cana is de
voz e /ou de vídeo num mesmo circuito telefônico, e ssa
enorme banda passante permite novas aplicações. Atu almente,
já estão disponíveis fibras ópticas comerciais com produtos
banda passante versus distância superiores a 200 GH z.Km.
Isso contrasta significativamente com os suportes
convencionais onde, por exemplo, um cabo coaxial ap resenta
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 re lação a
vários suportes de transmissão usados em sistemas
telefônicos.
Figura 33 – Atenuação versus freqüência [10]
8.2 Perda de transmissão muito baixa
57
As fibras ópticas apresentam atualmente perdas de
transmissão extremamente baixas, desde atenuações t ípicas
da ordem de 3 a 5 dB/Km na região em torno de 0,85m m até
perdas inferiores a 0,2 dB/Km para operação na regi ão de
1,55 mm.
Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de o ndas
superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda
menores, da ordem de centésimos e, até mesmo, milés imos de
decibéis por quilômetro.
Desse modo, com fibras ópticas, é possível implanta r
sistemas de transmissão de longa distância com um
espaçamento muito grande entre repetidores, o que r eduz
significativamente a complexidade e custos do siste ma.
Enquanto, por exemplo, um sistema de microondas
convencional exige repetidores a distâncias de orde m de 50
quilômetros, sistemas com fibras ópticas permitem a lcançar,
atualmente, e distâncias sem repetidores superiores a 200
quilômetros.
Com relação aos suportes físicos metálicos, na Tabe la
abaixo é feita uma comparação de perdas de transmis são 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 pa ra as
três taxas de transmissão.
58
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
Figura 34 – Tabela Comparação de números necessário s de
repetidores para cabeamento metálico versus cabeame nto
óptico. [10]
8.3 Imunidade a interferências e ao ruído
As fibras ópticas, por serem compostas de material
dielétrico, ao contrário dos suportes de transmissã o
metálicos, não sofrem interferências eletromagnétic as. 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 m otores,
pelo chaveamento de relés e por diversas outras fon tes de
ruído elétrico esbarram na blindagem natural provid a pelas
fibras ópticas. Por outro lado, existe um excelente
confinamento do sinal luminoso propagado pelas fibr as
ópticas.
Desse modo, não irradiando externamente, as fibras ópticas
agrupadas em cabos ópticos não interferem opticamen te umas
nas outras, resultando num nível de ruído de diafon ia
(crosstalk) desprezível. Os cabos de fibras ópticas , por
59
não necessitarem de blindagem metálica, podem ser
instalados convenientes, por exemplo, junto as linh as de
transmissão de energia elétrica. A imunidade e puls os
eletromagnéticos (EMP) é outra característica impor tante
das fibras ópticas.
8.4 Isolação elétrica
O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõ e a
fibra óptica oferece uma excelente isolação elétric a entre
os transceptores ou estações interligadas. Ao contr ario dos
suportes metálicos, as fibras ópticas não tem probl emas com
aterramento e interfaces dos transceptores. Além di sso,
quando um cabo de fibra óptica é danificado não exi stem
faíscas de curto-circuito. Esta qualidade das fibra s
ópticas é particularmente interessante para sistema s 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 choq ues
elétricos em cabos com fibras ópticas permite a sua
reparação no campo, mesmo com equipamentos de extre midades
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 do s cabos
ópticos são bastante inferiores aos dos equivalente s 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
60
capacidade, um cabo de 7,6cm de diâmetro com 900 pa res
metálicos. Quanto ao peso, um cabo metálico de cobr e de 94
quilos pode ser substituído por apenas 3,6 quilos d e fibra
óptica.
A enorme redução dos tamanhos dos cabos, providas p elas
fibras ópticas, permite aliviar o problema de espaç o e de
congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades
e em grandes edifícios comerciais. O efeito combina do do
tamanho e peso reduzidos faz das fibras ópticas o m eio de
transmissão ideal em aviões, navios, satélites etc. Além
disso, os cabos ópticos oferecem vantagens quanto a o
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 par a a
informação transportada. Qualquer tentativa de capt ação de
mensagens ao longo de uma fibra óptica e facilmente
detectada, pois exige o desvio de uma porção consid erável
de potencia luminosa transmitida. Esta qualidade da s fibras
ópticas é importante em sistemas de comunicações ex igentes
quanto à privacidade, tais como nas aplicações mili tares,
bancárias etc. Uma outra característica especial da s fibras
ópticas, de particular interesse das aplicações mil itares,
é que, ao contrário dos cabos metálicos, as fibras não são
localizáveis através de equipamentos medidores de f luxo
eletromagnético ou detectores de metal.
8.7 Custos potencialmente baixos
61
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 d e fibras
ópticas em larga escala tende gradualmente a supera r esse
inconveniente. Com relação aos cabos coaxiais, as f ibras
ópticas já são atualmente competitivas, especialmen te em
sistemas de transmissão a longa distância, onde a m aior
capacidade de transmissão e o maior espaçamento ent re
repetidores permitidos repercutem significativament e nos
custos de sistemas.
Em distâncias curtas e/ou sistemas multipontos, os
componentes ópticos e os transceptores ópticos aind a podem
impactar desfavoravelmente o custo dos sistemas. No
entanto, a tendência é de reversão desta situação n um
futuro não muito distante, em razão do crescente av anço
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 aç ão de
líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim par a uma
maior confiabilidade e vida útil dos sistemas. [10]
9.0 Desvantagens
62
O uso de fibras ópticas, na prática tem as seguinte s
implicações que podem ser consideradas como desvant agem em
relação aos suportes de transmissão convencional:
9.1 Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamen tos O manuseio de uma fibra óptica “nua” é bem mais del icado
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 re alização
das conexões e junções.
9.3 Acopladores tipo T com perdas muito altas É muito difícil se obter acopladores de derivação t ipo T
para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isso
repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utiliz ação de
fibras ópticas em sistema multiponto.
9.4 Impossibilidade de alimentação remota de repeti dores Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação
elétrica independente para cada repetidor, não send o
possível a alimentação remota através do próprio me io de
transmissão.
9.5 Falta de padronização dos componentes ópticos
63
A relativa imaturidade e o continuo avanço tecnológ ico não
tem facilitado o estabelecimento de padrões para os
componentes de sistemas de transmissão por fibras ó pticas.
[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 transdu tor:
“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 fenôm eno
ocorrido.
A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o di stúrbio
menos intenso que pode ser medido pode depender de:
Variações infinitesimais em algum parâmetro de
caracterização da fibra usada, quando a fibra é o p róprio
elemento sensor;
Mudanças nas propriedades da luz usada, quando a Fi bra é o
canal através do qual a luz vai e volta do local so b teste.
Os sensores a Fibras Ópticas são compactos e aprese ntam
sensitividades comparáveis ou superiores ao similar
convencional. São usadas tanto Fibras monomodo como
multimodo. Existem muitos sensores comerciais feito s com
Fibras Ópticas, para medição de temperatura, pressã o,
rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc.
10.1.2 Emprego de Fibras Ópticas na construção de s ensores:
64
Sensores interferométricos utilizando Fibras monomo do. São
usados dois “braços” de Fibras com comprimentos igu ais aos
quais é acoplada luz. Um dos braços atua como refer ência e
o outro vai ser submetido a algum distúrbio do ambi ente. A
luz de saída das duas Fibras é recombinada, formand o um
padrão de interferência. À medida que o braço senso r sofre
as influências do distúrbio, as franjas de interfer ência se
deslocam a uma razão que é proporcional à intensida de 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 d e
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 vari a com a
temperatura (-50 a +200oC);
Sensores de pressão construídos com o emprego de um a
membrana móvel numa das extremidades da Fibra. A Fi bra é
encapsulada em um cateter e a membrana se movimenta de
acordo com a pressão (0 a 300 mm de Hg);
65
Sensores químicos construído com o emprego de uma m embrana
permeável numa das extremidades da Fibra. A membran a 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 va riedade
de aplicações para os sistemas de transmissão por f ibras
ópticas. As aplicações vão desde a pura substituiçã o de
cabos metálicos em sistemas de longa distância inte rligando
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 interur bano. Os
sistemas troncos exigem sistemas de transmissão (em geral,
digitais) de grande capacidade, envolvendo distânci as que
vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centena s de
quilômetros e, eventualmente, em países com dimensõ es
continentais, até milhares de quilômetros. As fibra s
ópticas, com suas qualidades de grande banda passan te e
baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requ isitos.
66
A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem
repetidores, permitidos pelos sistemas de transmiss ão por
fibras ópticas minimizam os custos por circuito tel efônico,
oferecendo vantagens econômicas significativas.
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 fib ras
ópticas na rede telefônica. Embora as fibras óptica s não
sejam ainda totalmente competitivas com os pares me tálicos,
a partir da introdução de novos serviços de comunic ações
(videofone, televisão, dados etc.), através das Red es
Digitais de Serviços Integrados (RDSI), o uso de fi bras
ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativ o.
10.5 Cabos Submarinos
Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, pa rte
integrante da rede internacional de telecomunicaçõe s, é uma
outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cum prem
atualmente um papel de fundamental importância. Os cabos
submarinos convencionais, embora façam uso de cabos
coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para m inimizar
a atenuação, estão limitados a uns espaçamentos máx imos
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 atualme nte
espaçamentos entre repetidores em torno de 60 km. C om a
implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas
de 4ª geração (1,55µm), alcances sem repetidores su periores
67
a 100 km serão perfeitamente realizáveis. Além diss o, as
fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (d imensão
e peso menores) e uma maior capacidade de transmiss ão,
contribuindo significativamente para atender à cres cente
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 Óptic as
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 o u
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 ne odímio.
A presença destes elementos em algumas partes por m ilhão é
o bastante para que, após o bombeio, a Fibra flores ça com
picos intensos em vários comprimentos de onda de ex tremo
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
68
amplificador (o sinal a ser amplificado coincide co m algum
pico de fluorescência) ou como um laser, se inserid a entre
dois espelhos convenientemente selecionados. [9]
10.8 Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações
A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicaç ão a
longa distância. Ela permite que a informação seja
transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezen as de
quilômetros sem um repetidor. Sua capacidade de tra nsmissão
superior é possível devido a seu pequeno núcleo – e ntre 5 e
10 mm de diâmetro. Isto limita a luz transmitida a somente
um modo principal, o que minimiza a distorção dos p ulsos de
luz, aumentando a distância em que o sinal pode ser
transmitido.
Praticamente todas as aplicações de telefonia e CAT V (TV a
cabo) utilizam a Fibra monomodo em função das maior es taxas
de transmissão e menores atenuações do sinal. Redes de
dados que requeiram taxas de transmissão de gigabit s também
precisam utilizar a Fibra monomodo.
A Fibra multimodo é usada em sistemas de comunicaçã o como
LANS (Local Área Networks) e WANs (Wide Área Networ k) em
campi universitários, hospitais e empresas. O diâme tro de
seu núcleo é largo em comparação ao comprimento de onda da
luz transmitida. Por isso, a Fibra multimodo propag a mais
que um modo de luz. Com seu relativamente grande nú cleo, a
Fibra multimodo é mais fácil de conectar e unir; é a Fibra
escolhida para aplicações de curta distância consis tindo de
numerosas conexões.
69
Fibras multimodo de índice gradual também são prefe ridas
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 est as
Fibras podem ser construídas com núcleo de pura síl ica que
não é grandemente afetado pela radiação. [11]
10.9 Comunicações
Uma das aplicações militares pioneira no uso da tec nologia
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 ru ído, as
fibras ópticas oferecem a esses sistemas vantagens
exclusivas. Por exemplo, a informação transportada pela
fibra óptica é dificilmente violada ao longo do sis tema de
transmissão, em razão da característica de isolação
eletromagnética e pelas facilidades de localização de
derivações de potência óptica ao longo do cabo, gar antindo
assim um alto grau de privacidade na transmissão de dados
“sensíveis” o meio de transmissão pode percorrer se m riscos
lugares de armazenamento de combustíveis ou explosi vos; o
reduzido volume e peso dos cabos ópticos provêm imp ortantes
facilidades operacionais no transporte e instalação dos
sistemas.
Esta última qualidade das fibras ópticas é particul armente
vantajosa em sistemas táticos de comando e comunica ções,
permanentes ou móveis, interligando armamentos sofi sticados
e unidades militares dispersam. As conexões remotas entre
70
um radar e a estação de processamento de sinais pod em, por
exemplo, ser mais longas garantindo maior segurança ao
pessoal de operação. [9]
A aplicação de fibras ópticas em sistemas de comuni cações
militares a longa distância, além das motivações bá sicas
das aplicações civis (maior alcance e capacidade de
transmissão), busca usufruir as suas qualidades
operacionais e de segurança. Por exemplo, nos EUA u m enlace
óptico 147 km suporta o sistema primário de comunic ações
para controle e testes de mísseis MX e na Coréia do Sul foi
construída uma rede de comunicações táticas com 667 km de
cabos ópticos.
Em nível local, uma das grandes aplicações de fibra s
ópticas em sistemas militares de comunicações é na
realização de barramentos de dados em navios e aviõ es. Além
da melhor desempenho, este tipo de aplicação das fi bras
ópticas tem na redução de volume e peso uma das sua s
principais motivações. Um avião bombardeiro, por ex emplo,
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 (ligh t
helicopter, experimental), onde os sistemas de cont role de
vôo, de armamentos e de dados internos são totalmen te
baseados na tecnologia de fibras ópticas.
10.10 Redes Locais de Computadores
As comunicações entre computadores são suportadas p or
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.
71
As redes de computadores a longa distância utilizam -se dos
meios de transmissão comum à rede telefônica. Embor a
geralmente usem técnicas distintas (comutação de pa cotes,
modem etc.) essas redes a longa distância são impla ntadas
ou integradas nos mesmos suportes físicos de transm issão da
rede telefônica. Assim sendo, o uso de fibras óptic as 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 e tc.)
As redes locais de computadores, utilizadas para
interconectar recursos computacionais diversos
(computadores, periféricos, banco de dados etc.) nu ma área
privada e geograficamente limitada (prédio, usina, fábrica,
campus etc.), caracterizam-se pela especificidade e
variedade de alternativas tecnológicas quanto ao si stema 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 o s
suportes convencionais, as fibras ópticas, em deter minadas
aplicações, apresentam-se como a melhor e às vezes única
alternativa de meio de transmissão para as redes lo cais 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
72
fibras ópticas têm sido utilizadas, por exemplo, pa ra
interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e e stúdios
ou estações monitoras externas instaladas em veícul os.
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 u tilizado
fibras ópticas como suporte de transmissão. Entreta nto, 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, al ém de
uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de
alcance sem repetidores (amplificadores) superior a os cabos
coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos c oaxiais
banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da o rdem de
1 km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em
função do ruído e distorção, enquanto que com fibra s
ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30
km. Além de melhor desempenho, a tecnologia atual d e
transmissão por fibras ópticas é competitiva econom icamente
e apresenta confiabilidade substancialmente melhor que os
sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais band a-larga.
10.12 Sistemas de Energia e Transporte
A difusão das fibras ópticas nas redes públicas de
telecomunicações tem estimulado a aplicação desse m eio de
transmissão em sistemas de utilidade pública que pr ovêm
suas próprias facilidades de comunicações, tais com o os
sistemas de geração e distribuição de energia elétr ica e os
sistemas de transporte ferroviário. As facilidades de
73
comunicações incluem, além de serviços de comunicaç ão
telefônica, serviços de telemetria, supervisão e co ntrole
ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de
alguns quilômetros ao longo de linhas de transmissã o ou
linhas férreas. Embora estes sistemas geralmente nã o
requeiram grandes bandas passantes, o uso de fibras ópticas
é atraente, principalmente em função de suas qualid ades de
imunidade eletromagnética, isolação elétrica e baix as
perdas. Sistemas de transmissão digital PCM a 2 Mbp s, bem
como cabos ópticos especiais para este tipo de apli cação
têm sido experimentados ou colocados em operação co mercial
nos últimos anos.[9]
10.13 Aplicações da Fibra Óptica para fins Militare s
As aplicações militares de fibras ópticas incluem d esde
sistemas de comunicações de voz e dados a baixa vel ocidade,
onde as fibras ópticas simplesmente substituem supo rtes
metálicos convencionais, até aplicações específicas
envolvendo sistemas de navegação e controle de míss eis 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 subm arina.
[10]
10.14 Aplicações Específicas
Uma aplicação específica das fibras ópticas no domí nio
militar é a dos mísseis teleguiados por cabo. Neste tipo de
sistema, ilustrado na figura abaixo, um enlace com fibra
74
óptica de alta resistência à tração liga
(bidirecionalmente) o míssil a um centro de control e,
permitindo um melhor controle de pintaria através d a
monitoração visual do alvo.
As qualidades das fibras ópticas em termos de grand e banda
passante, imunidade a interferências e não vulnerab ilidades
face aos radares inimigos são essenciais a este tip o de
aplicação. Considerando atualmente o maior mercado militar
da tecnologia de fibras ópticas, este tipo de aplic ação,
considerando-se apenas o programa FOG-M (Fiber Opti c Guided
Missible) nos EUA, deve consumir cerca de 300000 km de
fibras ópticas até 1990. Sistemas sensores com fibr as
ópticas também têm encontrado uma variedade de apli cações
no domínio militar. Um dos mais utilizados é o giro scópio
óptico que oferece vantagens com aos mecânicos, em termos
de maior precisão, peso reduzido e maior segurança. A
aplicação militar de giroscópios ópticos inclui sis temas de
navegação automática em aviões, navios, submarinos,
mísseis, espaçonaves, satélites, etc. um outro sist ema
sensor de interesse para a Marinha é o acústico. Ac oplados
a redes de cabos ópticos submarinos, os sensores ac ústicos
permitirem implantar, por exemplo, sofisticados sis temas de
defesa submarina. [10]
75
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 m etade da
demanda no continente.
O país produz mais de 1 milhão de quilômetros de fi bra
óptica por ano, o que atende 50% das necessidades d e
consumo do país. A demanda é completada com importa ções dos
Estados Unidos e Japão. De acordo com a Yankee Grou p
consultoria especializada em tecnologia da informaç ão, o
país terá em torno de 9,5 milhões de quilômetros de fibras
ópticas antes de 2003. Em 1998, o Brasil tinha apen as 2,4
milhões de quilômetros, o que não é muito, levando- se em
conta o tamanho do país, mas é um volume razoável c omparado
com os países de expansões territoriais semelhantes , como
China, Rússia e Índia. Porém fica muito atrás dos E stados
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]
11.2 Aplicações futuras Fuji cria fibra óptica de plástico para mercado dom éstico A Fuji, maior fabricante de filmes fotográficos do Japão,
afirmou hoje que desenvolveu uma fibra óptica plást ica 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 b usca
expandir suas fontes de receita.
O preço das ações da companhia subiu com o anúncio e
acumulou valorização de 2,87% enquanto a média defi nida
pelo índice Nikkei teve alta de 1,19%.
Uma porta-voz da Fuji não confirmou a informação di vulgada
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 s er
transmitidas pela nova fibra plástica com quase a m esma
velocidade que a das fibras ópticas de vidro, a mai s de 1
Gigabit por segundo.
77
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 lin e)
somando 3,6 milhões.
O mercado espera que os serviços ADSL, que usam lin has
telefônicas de cobre, sejam substituídos nos próxim os anos
por cabos de fibra óptica, que oferecem velocidades muito
mais rápidas.
A fibra plástica suporta calor e umidade vai reduzi r os
custos de instalação dramaticamente, afirmou a port a-voz.
A internet chegará finalmente ao Pólo Sul, com a in stalação
de cerca de dois mil quilômetros de cabos de fibra ótica no
planalto polar, uma das regiões mais inóspitas da T erra.
[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 instalad o, e
devem ser um dos maiores desafios já enfrentados pe la
engenharia na Antártica.
Figura 36 – Vista do Pólo Sul [16]
78
Sua conclusão, prevista para 2009, revolucionará as
comunicações na região.
A Fundação Nacional para a Ciência, nos Estados Uni dos, já
solicitou uma concorrência da indústria para a cons trução.
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12.0 Conclusão
Pelo que aqui foi exposto, podemos ver que a utiliz ação 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: At enuação,
Velocidade de Propagação, Capacidade de Transmissão e,
Custos, tão bons quanto aos apresentados pelas Fibr as
Ópticas.
Alem da facilidade de instalação, há uma ampla vari edade de
Cabos de Fibra Óptica, para as mais diversas aplica ções e,
estão também disponíveis, vários Sistemas de Transm issão
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 contín ua
evolução e aperfeiçoamento, permitindo hoje a imple mentação
de Redes totalmente Ópticas, superando todas as dem ais, até
hoje existentes.
A fibra óptica tem como vantagens indiscutíveis, a alta
velocidade ao navegar pela internet, assim como a i munidade
a ruído e interferência, dimensões e peso reduzidos e a
compatibilidade com a tecnologia digital.
As fibras também possuem suas desvantagens é acessí vel
somente a cidades cujas zonas possuem instalação, s eu custo
elevado, sua fragilidade, sua dificuldade de repara ção de
rompimento de fibras em campo, equipamentos de alto custo.
Atualmente vem se modernizando muitas as caracterís ticas da
Fibra óptica, enquanto sua cobertura fica mais resi stente,
existe maior proteção contra imunidade o que signif ica um
uma evolução no uso da fibra, a serviço do progress o que
tecnológico em que vivemos no mundo atual.
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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: 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_o ptica/
[10] Site: www.lucalm.hpg.ig.com.br/vantagens.htm
[11] Site: www.djmeucci.sites.uol.com.br/fo/fibraop t.htm
[12] Site: www1.univap.br/~landulfo/pesq1.htm
[15] Site:www.bbc.co.uk/portuguese/ciencia/020821_p olosuli
r.shtml
[16] Site:
www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_utilizando _f
ibra_em_rede.php