Dosiê Fibra Óptica – Parte I

Dosiê Fibra Óptica – Parte IDesde que foram desenvolvidas, as fibras ópticas representaram uma revolução na forma de transmitir informações. A fibra óptica vem sendo utilizada para transmitir voz, televisão e sinais de dados por ondas de luz, por meios de fios finos e flexíveis, constituídos de vidro ou plástico que, comparados com fios metálicos, apresentam inúmeras vantagens.

Não é mais mera curiosidade de laboratórios de pesquisas. São, agora, uma importante tecnologia, provada e aprovada, um realidade reconhecida.

Na área dos Sistemas de Telecomunicações, a fibra óptica possui um campo bem vasto de estudo. Por isto o estudo de conceitos básicos de ótica é usado tanto em fibras como em feixes ópticos. O sistema óptico é parte óptica e parte eletrônica. O entendimento de segmentos óptico, eletrônico e de comunicações vem a ser, então, importante para o estudo de estruturas ópticas.

O objetivo deste artigo é apresentar vários conceitos relacionados com fibra óptica, ferramentas, técnicas empregadas, novas tendências e expectativa de mercado.

1. Surgimento
Suas raízes são do século XIX, como um dispositivo denominado FOTOFEN que convertia, utilizando a luz do sol e lentes montadas em transdutor que ao contato com o som vibrava, sinais de voz em sinais ópticos.

Narinder Singh Kanpany, físico indiano, foi quem inventou a fibra óptica, que passou a ter aplicações práticas na década de 60 com o advento da criação de fontes de Luz de estado sólido, como o raio laser e led.

2. Histórico e conceitos

2.1 Histórico
Há cinco milhões de anos, homens primitivos iniciaram as comunicações ópticas com sinais e gestos visuais:

  • Século VI a.C: 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 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.
  • 1792: Claude Chappe inventou um sistema de transmissão mecânica para longas distâncias B<1 bps).
  • 1800: Sr. William Herschel descobriu a parte infravermelha do espectro.
  • 1801: Ritter descobre a parte ultravioleta do espectro.
  • 1830: Telégrafo com código Morse (digital) com repetidores chegava a 1000 km (B=10 bps).
  • 1866: Primeira transmissão transatlântica de telégrafo.
  • 1870: John Tyndal mostrou a Royal Society que a luz se curva para acompanhar um esguicho d’água.
  • 1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bell que existe até hoje.
  • Século XX: O mundo se enreda de redes telefônicas analógicas.
  • 1926: John Logie Baird patenteia uma TV a cores primitiva que utilizava bastões de vidro para transportar luz.
  • 1930-40: Alguns guias de luz foram desenvolvidos com Perspex para iluminar cirurgias.
  • 1940: 1º cabo coaxial transporta até 300 ligações telefônicas ou um canal de TV com uma portadora de 3 MHz.
  • 1950: Pesquisadores começam a sugerir o uso de uma casca em volta da fibra para guiar a luz. Os primeiros "fibrescopes" foram desenvolvidos, mas o custo ainda é proibitivo.
  • 1952: O físico indiano Narinder Singh Kanpany inventa a fibra óptica.
  • 1964: Kao especulou que se a perda da fibra for somente 20 dB/km, seria possível, pelo menos teoricamente, transmitir sinais à longa distância com repetidores. 20 dB/km: sobra apenas 1% da luz após 1 km de viagem. Objetivos: menor custo e melhores condições para o transporte da luz.
  • 1968: As fibras da época tinham uma perda de 1000 dB/km. The Post Office patrocina projetos para obter vidros de menor perda.
  • 1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra óptica com perdas de 20 db/km.
  • 1973: Um link telefônico de fibras ópticas foi instalado no EEUU.
  • 1976: Bell Laboratories instalou um link telefônico em Atlanta de 1 km e provou ser possível a fibra óptica para telefonia, misturando com técnicas convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo com fibras ópticas foi instalado emHastings (UK). Rank Optics em Leeds (UK) fabrica fibras de 110 mm 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.
  • 1988: Primeiro cabo submarino de fibras ópticas mergulhou no oceano e deu início à superestrada de informação.
  • 2001: A fibra óptica movimenta cerca de 30 bilhões de dólares anuais.

2.2 Natureza da Luz
A luz pode, em alguns casos, apresentar características de partículas (corpos dotados de massa) e, em outros, de ondas (energia) ou ainda, em alguns casos, aparecer como fótons, que parece um raio ou partículas eletromagnéticas que se movem em alta velocidade. Esta velocidade é tão extraordinariamente alta que apresentam sua massa nula, nos fazendo classificá-los como não existentes. Por isso, é melhor tratá-los como pacotes de energia, para poderem ser observados e medidos.

Pela teoria da luz como partícula, podemos descrever o que ocorre com a partícula quando ela é transmitida – o efeito fotoelétrico: que descreve que quando a luz atinge a superfície de determinados sólidos causa a emissão de elétrons. Mas não conseguiríamos, apenas com esta teoria, explicar o comportamento da luz durante a emissão e a absorção, nem descrever vários outros fenômenos relacionados à luz. A teoria das ondas explica melhor a propagação ou transmissão da luz. Explica muito bem, por exemplo, por que os feixes de luz passam uns entre os outros sem causar distúrbios entre si.

É importante, então, notar que é um erro generalizar a luz como partículas ou como ondas. De acordo com a situação, uma ou outra teoria descreve melhor um determinado fenômeno.

2.3 Velocidade da Luz
Em 1675, o astrônomo Roemer, através de suas observações astronômicas sobre o período de revolução de uma das luas de Júpiter, obteve a primeira verdadeira indicação de grandeza para a velocidade da luz. Em 1849, o físico francês Fizeau fez a primeira medição não astronômica da velocidade da luz, depois aperfeiçoada pelo também físico Foucault em 1850 e, entre 1880 e 1930, pelo físico Michelson.

Mas muito antes destes outros físicos, Galileu fez a primeira tentativa de medir a velocidade de propagação da luz. O experimento funcionou da seguinte maneira: Galileu e seu assistente foram até o topo de duas colinas, com uma distância de aproximadamente uma milha, cada um munido com uma lanterna e um anteparo para cobrí-la. A intenção de Galileu era medir o tempo necessário para a luz percorrer o dobro da distância entre os observadores. Ele então pensou: o observador A descobriria sua lanterna e o observador B, quando visse a luz da lanterna do observador A, descobriria a sua. O tempo inicial de A e sua visão da luz de B seria o tempo necessário para a luz ir e vir entre os dois observadores. Mas Galileu não conseguiu, com isto, obter nenhum valor para a velocidade da luz, porque a velocidade dela é tão grande que o intervalo de tempo para ser medido é muito menor que as flutuações do tempo de resposta dos observadores.

A teoria eletromagnética de Maxwell, em que ele trata a luz como uma onda eletromagnética, não envolve diretamente a luz. Ele descreve que a velocidade de uma onda eletromagnética no vácuo está relacionada a uma constante elétrica, que pode ser determinada por uma medida da capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas, e uma constante magnética, que está relacionada com a unidade Si de corrente elétrica.

Precisamente, esta velocidade é de 299 792 500 m/s. Para a maioria das aplicações práticas, esse número é aproximado para 300 000 000 m/s.

2.4 Ondas eletromagnéticas
As ondas eletromagnéticas, que são geradas pela aceleração de cargas elétricas, incluem a luz visível, as ondas de rádio e as de radar, os raios gama, microondas e outras, que envolvem a propagação de ondas de campos elétricos e magnéticos através do espaço, com velocidade de 300 000 000 m/s no vácuo. A diferença entre as radiações em diferentes partes do espectro deste tipo citadas é uma quantidade que pode ser medida em vários caminhos, como o comprimento de onda, a energia de um fóton ou a oscilação da freqüência em um campo eletromagnético.

Dosiê Fibra Óptica – Parte ICada medida possui sua própria unidade de medida, seja ela comprimento de onda, energia ou freqüência. Internacionalmente, a mais usada é o comprimento de onda, sendo medido em unidades métricas, micrométricas (10 elevado menos 6 m) e em manométricas (10 elevado menos 9 m). A freqüência é medida em ciclos por segundo (cps) ou hertz (hz).

Todas as medidas nos informam a mesma coisa, e existem equações que convertem estas medidas em diferentes valores. Uma delas < C=lambida x f = 3 x 10elevado8 m/segundos > mede, por exemplo, a velocidade da luz (c) em função de comprimento de onda (Lambida) e da freqüência (f). Se preferir utilizar o fóton energia (E) para fibras, utilize a Lei de Plank < E = h x v > em que (H) é a constante de Plank e (v) a freqüência. A mesma equação, agora em função do comprimento de onda, ficaria < E = 1,2406 / Lambida >.

Queremos observar do espectro de freqüência apenas uma pequena região denominada de região óptica, em que as fibras ópticas trabalham. Esta região inclui uma luz visível para os olhos humanos com o comprimento de onda que varia entre 400 e 700 nm, perto da região do infravermelho e do ultravioleta, que possuem propriedades similares.

Toma-se o Índice Refrativo (n) com a mais importante medida óptica para os materiais transparentes, que é descrito como sendo uma razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio. O índice refrativo será sempre menor que 1, quando medimos a velocidade da luz no material que é sempre menor que a velocidade da luz no vácuo.

A transmissão de um raio de luz diretamente em linhas de materiais ópticos surgem determinadas situações em seu interior. Existe uma distorção da luz quando esta passa do ar para o vidro. Esta distorção depende fundamentalmente do índice de refração, em que surge um ângulo no qual a luz alcança a outra superfície. Os ângulos de incidência e refração são medidos não do plano da superfície, mas da linha norma, isto é, perpendicular à face. A relação é conhecida como Lei de Snell < ni sin I = nr sin R > onde ni e nr são os índices de refração do meio incidente e do meio refrativo, I e R são os ângulos de incidência e de refração.

Lei de Snell
A Lei de Snell indica que a refração não pode tomar lugar quando o ângulo de incidência é muito grande. Se ele exceder um valor crítico, que denominamos de ângulo crítico, em que o seno do ângulo de refração se igualaria a ele, a luz não pode caminhar no vidro.

O fenômeno de reflexão interna total, que sustenta e mantém a luz confinada na fibra óptica, é explicada da seguinte forma: a reflexão interna deve ser proporcionada com toda a energia, fazendo com que os raios de luz saltem para o interior da fibra, obedecendo à Lei de Snell.

Ao se analisar a condução da luz, devemos abalizar o núcleo que está na parte interior da fibra, onde a luz é guiada, e a cobertura que está em torno da fibra.

Devemos levar em consideração estes fatores porque o índice refrativo do núcleo é mais alto que o da cobertura, fazendo que a luz vá até a borda com a cobertura, criando um ângulo e mantendo a luz confinada no núcleo pela reflexão interna total. Na prática, esta diferença não é muito grande, cerca de 1%. O cálculo é simples: se nr / ni = 0,99 o valor do ângulo é de cerca de 82 graus. Isto faz com que a luz seja confinada no núcleo se o ângulo do raio com a cobertura for de 8 graus ou menos.

Continuando os fatores primordiais num sistema de fibra óptica, aparecem também a Abertura Numérica e o ângulo de aceitação. Os ângulos sobre uma fibra óptica possuem limites de aceitação, mas a óptica pode produzir limitado raio de luz.

2.5 Atenuação, Largura de Banda e Dispersão em fibra óptica
À medida que a luz se propaga pela fibra óptica, perde parte da potência pela absorção de luz na casca, bem como imperfeições do material empregado na fabricação (sílica) dentro da fibra (guia de onda), por um processo que chamamos de atenuação do sinal que é medido em dB/km. A absorção da luz por materiais dentro da fibra, a difusão da luz dentro da fibra e o vazamento de luz do núcleo, também estão envolvidos nesta perda. O grau de Atenuação depende do comprimento de Onda da Luz transmitida. Isto faz com que a transmissão por fibra óptica não seja um meio 100% eficiente.

A dispersão é a principal responsável pela limitação da largura de banda do sinal transmitido. Esta dispersão tem causa em sinais digitais (mais comuns em fibras ópticas), um alargamento temporal do sinal óptico, o que resulta na superposição de diversos pulsos do sinal.

A dispersão é um efeito em que os modos geradores de uma frente de onda de luz são separados quando trafegam pela fibra óptica, o que ocasiona a chegada delas à outra extremidade espalhadas em relação ao tempo.

Então, concluímos que a Interferência Intersimbólica ou dispersão do pulso é a diferença entre a largura de banda do pulso de entrada para o pulso correspondente do sinal de saída. Como estamos falando da distância percorrida pela luz, este fenômeno é especificado por unidade de comprimento em ns/km. O que em uma transmissão digital vem a dificultar a recepção do sinal no circuito receptor e sua posterior decodificação.

Podemos classificar a dispersão do pulso de duas maneiras: Dispersão Intermodal e Dispersão Intramodal.

O resultado da geometria da guia de onda e das diferenças dos índices de refração que permitem à fibra propagar vários modos ou raios de luz, define a dispersão multimodo ou intermodal.. As fibras multimodos são mais susceptíveis à dispersão intermodal, observando-se a os vários modos com que os raios de luz percorrem caminhos diferentes a um determinado ponto em tempos distintos.

Dosiê Fibra Óptica – Parte IEm todas as fibras está presente a dispersão material, intramodal ou cromática, porque é decorrente da dependência do índice de refração do material da fibra com relação ao comprimento de onda. Com somente uma fonte de luz (monocromática – uma cor somente) não existe dispersão cromática – o que torna essa fonte, que gera uma luz mais pura e com menor largura espectral, efetivamente melhor do que um LED convencional.

Para efeito de medição, numa fibra óptica de sílica-padrão o coeficiente de dispersão medido é nulo para um comprimento de onda próximo a 1.300 nm. Neste único caso não ocorre o alargamento do pulso. Assim, os atuais sistemas de comunicação óptico foram desenvolvidos para aproveitar tais características. Fibras ópticas de dispersão deslocada (Dispersion Shifted "DS") reúnem atenuação e dispersão mínimas. Estes tipos de fibras ópticas, que até então eram fabricadas levando-se em conta características de aplicação e necessidades de transmissão, foram substituídas por fibras monomodo NZD que possuem dispersão de banda de comprimento de onda, em que os amplificadores ópticos podem trabalhar com valores mínimos e não zero (0), diferentemente das fibras monomodo DS. Isto permite maiores taxas de transmissão e menor espaçamento entre canais de comunicação. O que acontece é que o ponto de dispersão zero é deslocado da banda crítica de aplicação, tanto para a região de dispersão negativa (NZD-) como para uma região de dispersão positiva (NZD+).

3. Modulação e Multiplexação
Para cada aplicação a ser desenvolvida em redes de fibra óptica, temos que primeiro determinar as técnicas de modulação e multiplexação do sinal que trafegará na rede.

3.1 Modulação
Modulação é o processo pelo qual, através de uma portadora, um sinal em vez de ser transmitido em sua forma original é transmitido com mudança de amplitude, freqüência ou de fase. Definimos modulação da portadora o processo pelo qual o sinal original varia a portadora em amplitude, freqüência ou fase.

A modulação de uma portadora senoidal é mais utilizada hoje em sistemas de rádio, onde é utilizada para converter um sinal transmitido em uma banda de freqüência em que os receptores possam detectá-la melhor e separar as diferentes ondas. O sinal pode ser recuperado pela detecção da portadora e absorção das mudanças de amplitude, freqüência ou fase, dependendo do tipo da modulação. Este tipo de transmissão é denominado transmissão analógica. As técnicas de modulação de portadora são raramente utilizadas com fibras ópticas, geralmente ocorrem quando a transmissão analógica oferece alguma vantagem em custo ou formato de sinal para uma aplicação específica.

O PCM (Pulse Code Modulation) é outra técnica de modulação muito empregada em sistemas de comunicação por fibras ópticas.

Tanto para modulação de portadora analógica quanto para modulação código de pulso, o transmissor óptico (LED ou LASER (ILD)) transmite o sinal pela variação da potência da saída. Esta portadora e a forma de onda do sinal podem ser representadas por uma variação proporcional na potência de saída óptica.

Um pulso é formado pelo chaveamento da fonte, apresentando dois estados bem definidos: on e off, em aplicações digitais. Então, em sistemas digitais, um pulso pode ser representado por um burst de luz na fibra (nível lógico 1 – on) e pela ausência de um burst de luz (nível lógico 0 – off).

3.2 Multiplexação
A idéia básica de multiplexação é que diferentes tipos de sinais podem ser transportados por um sistema de transmissão óptico, ou seja, é um meio em que é possível transmitir dois ou mais canais de informação simultaneamente.

São definidos três tipo de multiplexação, que serão tratados a seguir:

  • Time Division Multiplexing (TDM) em tempos diferentes;
  • Frequency Division Multiplexing (FDM) em freqüências diferentes;
  • Wavelength Division Multiplexing (WDM) por comprimento de onda.

3.2.1 TDM – Time Division Multiplexing
É o método de multiplexação de vários canais em um único canal, dado pela associação de cada canal a um intervalo de tempo diferente para transmissão de um grupo de bits. Ébutilizado apenas com sinais binários provenientes de modulação por código de pulso (PCM), sem se importar se a origem do sinal é analógica ou digital.

Esta associação de intervalos é obtida quando cada canal digital que origina a informação entra no multiplexador e é armazenado em um buffer de memória denominado bloco de sincronismo. As funções do multiplexador, como a amostragem de cada canal de entrada a taxas com velocidades compatíveis às requeridas pelo sistema, devem se feitas. Nesta taxa a amostragem, o circuito multiplexador pode amostrar o primeiro bit de informação dos canais 1 a N (último canal) e adicionar um overhead de informação de volta ao primeiro canal, antes que o próximo bit de informação do canal 1 entre. Este multiplexador pode aceitar um ou mais bits binários ao mesmo tempo de cada canal e gerar, depois, vários pulsos que compensam a transmissão do sinal.

O bit de overhead é utilizado para que o demultiplexador, no lado do receptor, possa identificar os canais, que são separados e reconstruídos.

Pela não utilização de banda de guarda o TDM se torna muito mais eficiente que o FDM. A única ineficiência é que um pequeno número de bits é adicionado ao conjunto de pulsos (dados) transmitido, para prover ao multiplexador e demultiplexador sincronismo e detecção de erro, bem como alguns poucos bits extras para gerenciamento em sistemas de comunicação em redes.

Outro aspecto desvantajoso para o TDM é o custo da codificação digital PCM.

3.2.2 FDM – Frequency Division Multiplexing
É o método pelo qual vários canais de informação são multiplexados em um único canal, dado pela associação de cada um destes canais a um portadora diferente. Para tornar isto possível , cada canal de origem ou banda base modula uma portadora de uma freqüência diferente em amplitude, freqüência ou fase. Cada nova portadora modulada será referida como canal intermediário. Cada um desses canais intermediários é, então, combinado em um canal de transmissão simples, geralmente aplicando-o a um circuito combinador composto por um arranjo resistivo (talvez com alguma amplificação), não muito diferente de um divisor de potências.

Isto resulta em um sinal composto, onde cada canal é identificado como uma banda separada de freqüências, e que pode ser identificado por uma freqüência portadora discreta.

Este tipo de multiplexação é caracterizado pelo seu baixo custo e pela multiplexação de vários canais em um único canal, com uma largura de banda junta. Por isto esta técnica é utilizada na propagação de sinais de rádio e TV.

Sua desvantagem, quando aplicada a fibras ópticas, é que a linearidade das fontes ópticas, embora algumas estejam entre 0,001% e 0,1%, não é suficiente para evitar a geração de distorção harmônica.

Não segue nenhum padrão específico. Ele é desenvolvido e fabricado para aplicações específicas, como TV a cabo.

3.2.3 WDM – Wavelength Division Multiplexing
Os outros tipo de multiplexação eram usados para multiplexar canais, mas em sistemas ópticos eles são empregados em etapas onde os sinais a serem transmitidos ainda são elétricos. No caso do WDM, ele multiplexa "cores" (comprimento de ondas de luz) em uma única fibra óptica, utilizando várias fontes de vários comprimentos de onda.

Funciona como o FDM dentro de uma porção de infravermelho do espectro eletromagnético. Cada portadora óptica, em um comprimento de onda diferente, pode carregar vários canais elétricos que foram multiplexados com técnicas FDM e TDM. O WDM, portanto, oferece um outro nível de multiplexação para sistemas de fibra óptica que os sistemas puramente elétricos não possuem.

Mas esta técnica não é aplicada em redes locais porque as taxas de transmissão e as distâncias fazem com que as aplicações em LAN sejam "simples" para cada fibra óptica, não demandando sistemas ópticos complexos, como é o caso de telefonia e CATV.

4. Princípio de funcionamento
A luz se propaga no interior de uma fibra óptica fundamentada na reflexão total da luz. Quando um raio de luz se propaga em um meio cujo índice de refração é n1 (núcleo) e atinge a superfície de um outro meio com índice de refração n2 (casca), onde n1>n2, e desde que o ângulo de incidência (em relação à normal) seja maior ou igual ao ângulo crítico, ocorrerá o que é denominado de reflexão total, do que resulta o retorno de raio de luz ao meio com índice de refração n1.

A luz é injetada na fibra por uma de suas extremidades sob um cone de aceitação, em que este determina o ângulo por que o feixe de luz deverá ser injetado, para que ele possa de propagar ao longo da fibra óptica.

A composição básica de fibras ópticas é de materiais dielétricos com uma estrutura cilíndrica, composta de uma região central, que denominamos núcleo, que é por onde a luz trafega, e uma região periférica, denominada casca, que envolve completamente o núcleo.

As dimensões vão variar conforme o tipo da fibra, podendo ser de 8 micrometros até 200 micrometros, e a casca de 125 micrometros até 240 micrometros.

Então, temos que a composição básica de uma fibra óptica é :

  • Núcleo (fibra de vidro);
  • Casca que envolve o núcleo (fibra de vidro);
  • Película que recobre a casca, chamado de acrilato;
  • Um tubo onde as fibras são comportadas, chamadas de tubete;
  • Os fios de aramida, para atuar como proteção e tração;
  • Bastão de Kevlar, utilizado para dar resistência mecânica ao cabo;
  • Capa, constituída por um polímero.

Fonte: RNP – Rede Nacional de Ensino e Pesquisa

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2 responses to “Dosiê Fibra Óptica – Parte I”

  1. William says :

    Muito Obrigado. Fico a espera da Parte II. Os vossos artigos são muito interessantes.
    Bom Fim de Semana
    William

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  1. Dosiê Fibra Óptica – Parte Final « Desmonta & CIA - 25 maio 2011

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