Fundamento de Rede de Computadores Prof. Mario Antônio Monteiro Unicarioca Curso: Redes de Computadores
FIBRAS ÓTICAS
Felipe Fulli Leonardo Vieira Turma: 821
Rio de Janeiro 2012
SUMÁRIO
2 3 4 5 6 7 7.1 7.2 7.3
Introdução______________________________________ História ________________________________________ Fundamentos____________________________________ Regulamentação__________________________________ Largura de Banda__________________________________ Estrutura da fibra óptica_____________________________ Fabricação da Fibra Ótica___________________________ Fabricação de uma pré-forma de vidro____________________ Fabricação De Fibras De Sílica Pura______________________ MCVD (Modificated Chemical Vapour
5 3 7 8 8 11 11 12 12
7.4 7.5
Deposition_______________ PVCD (Plasma Chemical Vapour Deposition)________________ OVD (Outside
13 13
7.6 7.7 8 9 9.1 9.2 10 10.1
VapourDeposition)________________________ VAD (VAPOUR AXIAL DEPOSITION)______________________ Fabricação De Fibras De Plástico________________________ Puxamento______________________________________ Tipos de Fibra Ótica_______________________________ Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)__________________ Fibras Monomodo (SMF - Single Mode Fiber)_______________ Tipos de Emendas________________________________ Emenda ótica por
13 13 14 14 14 16 16 16
10.2 10.3 11 11.1 12 13 14
Fusão______________________________ Emenda Mecânica__________________________________ Emenda por Acoplamento de Conectores__________________ Perdas_________________________________________ Perdas por Atenuação_______________________________ Vantagens e Desvantagens da utilização de Fibras Ópticas_ Redes de Fibra Ótica_______________________________ Conectores______________________________________
18 18 19 19 21 24 25
15
_ Aplicações da Fibra
27
15.1
Óptica___________________________ Fibras Ópticas na
27
15.1.1
Instrumentação__________________________ Sensores_________________________________________
27
15.1.2
Emprego de Fibras Ópticas na construção de sensores_________
27
15.1.3
Exemplos de sensores construídos com Fibras
28
15.2
Ópticas__________ Sistemas de
28
15.3
Comunicações________________________________ Rede Telefônica____________________________________
29
15.4
Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)_________________
29
15.5
Cabos Submarinos__________________________________
29
15.6
Uso de Fibras Ópticas na Medicina_______________________
30
15.7
Laser de Fibra_____________________________________
30
15.8
Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações________________
31
1
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4
Página 2
15.9
Comunicações_____________________________________
31
15.10
Redes Locais de Computadores_________________________
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15.11
Televisão por Cabo (CATV)____________________________
33
15.12
Sistemas de Energia e Transporte_______________________
34
15.13
Aplicações da Fibra Ótica para fins Militares________________
34
15.14
Aplicações Específicas_______________________________
35
Conclusão_______________________________________
36
Bibliográficas____________________________________
37
1 Introdução Diversos são os avanços tecnológicos da humanidade ao longo da história, estamos sempre buscando formas de nos comunicar, de compartilhar o conhecimento, de encurtar as distâncias de forma que um fato que acontece agora aqui pode ser conhecido imediatamente por qualquer pessoa do outro lado do AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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mundo acreditamos que esse é o pilar básico da globalização, não só a globalização comercial, mas a globalização cultural. Quando falamos em comunicação global falamos em tecnologias que possibilitam tal comunicação, pois somente por meio dela é que podemos transitar dados, informações e nos comunicar com pessoas do outro lado do mundo de forma instantânea, pois além da possibilidade da comunicação, ainda existe o fado da velocidade da comunicação, pois sem a velocidade não haveria avanço que justificasse a tecnologia. Estas informações vêm através de redes de dados interligadas em alta velocidade, de cidade a cidade, de país a país, de continente a continente através de cabos de fibra ótica. Este sistema vem por baixo dos oceanos e utliza uma infraestrutura muito complexa que nos conecta a servidores no mundo todo e que foi desenvolvida pelo físico Narinder Singh Kapany que consolidou esta fantástica tecnologia. Nas próximas páginas vamos falar das características da fibra ótica, suas vantagens e desvantagens, normas técnicas, sua estrutura e aplicações.
2 História Em 1956, o físico indiano Narinder Singh Kanpany, inventa a fibra óptica. Mas alguns anos antes já se tinha feito algumas experiências com fibra óptica nomeadamente em 1930 na Alemanha. Contudo as pesquisas sobre as suas propriedades e as suas características só se iniciaram por volta de 1950.
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Ao longo dos anos, foram feitas cada vez mais pesquisas acerca das propriedades e características das fibras ópticas, até chegarmos ao que elas são hoje em dia. Abaixo temos uma breve cronologia dos eventos que precederam e que contribuíram para o desenvolvimento da fibra ótica.
1940
1º cabo coaxial transporta até 300 ligações telefônicas ou um canal de TV com uma portadora de 3 MHz.
1948
Os cabos coaxiais apresentam perdas grandes paraf>10 MHz. Assim surgiu a 1a transmissão por microonda com portadora de 4 GHz.
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 a 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 praticamente possível a fibra óptica para telefonia, misturando com técnicas convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo com fibras ópticas foi instalada em Hastings (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
2009
A fibra óptica "entra" em quase todas as casas.
3 Fundamentos AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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Uma fibra ótica é composta basicamente de plástico e sílica (produto sintético, produzido tela reação de silicato de sódio e ácido sulfúrico), resultando em uma substância conhecida como hidrogel, com uma longa estrutura cilíndrica transparente e flexível, podendo ser microscópicas (comparáveis a um fio de cabelo). A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central chamada de núcleo, envolta por uma camada também de material dielétrico chamado casca. O núcleo pode ser composto por um fio de vidro especial ou polímero que pode ter apenas 125 micrômetros de diâmetro nas fibras mais comuns e dimensões ainda menores em fibras mais sofisticadas.
Figura 3.1 – Esquema de uma fibra ótica
Ao redor do núcleo está a casca, que é um material com índice de refração menor. É a diferença entre os índices de refração da casca e do núcleo que possibilita a reflexão total e a consequente manutenção do feixe luminoso no interior da fibra. Ao redor da casca, ainda há uma capa feita de material plástico, como forma de proteger o interior contra danos mecânicos e contra intempéries. Para se ter uma ideia clara do funcionamento da fibra ótica, é como se houvesse um canudo de plástico excessivamente extenso e que a sua superfície interna fosse revestida por um espelho perfeito, onde acendemos uma lanterna em uma das pontas, a luz da lanterna é refletida pelo espelho interno através de toda a extensão do canudo chegando na outra ponta, se esta lanterna começar a piscar intermitentemente como no código Morse, podemos fazer uma analogia ao sistema binário e portanto estabelecendo um canal de comunicação.
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Figura 3.2 – Propagação do feixe no interior do núcleo.
4 Regulamentação
Considerando a necessidade de conciliar os aspectos de segurança de edificações, saúde pública, paisagismo e urbanismo das cidades com as exigências da vida moderna e reconhecendo as implicações hoje existentes no que tange à implantação de infraestrutura de telecomunicações, foram criadas normas para se regulamentar a implantação e propagação destas infraestruturas provenientes do uso das fibras óticas. Elaborou-se um estudo amplo que aborda os aspectos mais relevantes relacionados à infraestrutura de telecomunicações atinente ao uso de vias públicas para fins de instalação de dutos, condutos e postes para implantação de fibra óptica, visando a prestação de serviços de telecomunicações, levando-se em consideração, entre outros, os seguintes temas: 1- Explicitação técnica e das vantagens do uso de fibra óptica; 2- Análise das soluções legislativas adotadas no País e no exterior; 3- As competências para regulamentar o assunto, tendo em vista a diversidade de questões envolvidas.
5 Largura de Banda A maioria dos fabricantes de fibra especifica a largura máxima de banda em MHz/Km, esta unidade informa a taxa máxima de velocidade em uma fibra ótica de modo que se tivermos uma fibra de 200 MHz/Km, pode transmitir dados a 200 MHz
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a até 1 Km de distância. Porém, mesmo neste sistema ocorrem perdas que são chamadas de Atenuação que ocorrem na fibra durante o processo de transmissão. A opção pela utilização da fibra óptica na instalação de uma rede local, em lugar de soluções de cabeamento de par metálico convencional apresenta vantagens significativas devido à capacidade da fibra em permitir o tráfego das informações com velocidades elevadas. Entretanto, cada tipo de fibra óptica tem seus prós e contras no que diz respeito a sua utilização em uma rede de computadores. A fibra padrão utilizada nas aplicações de redes locais (LAN) é a fibra óptica multimodo de 62,5 mm que possui uma largura de banda virtualmente ilimitada para as aplicações nas distâncias envolvidas em redes locais (até aproximadamente 200 metros), sendo suficiente para atender as redes FastEthernet atuais, bem como as redes Gigabit Ethernet, ATM (até 622Mbps) e Fibre Channel (até 1Gbps). Nos casos de distâncias superiores aos 200 metros, os cabos de fibra óptica monomodo oferecem uma solução mais atraente, pois esse tipo de fibra apresenta uma capacidade maior de largura de banda em relação à fibra multimodo. Essa maior largura de banda da fibra monomodo é uma vantagem importante que deve ser levada em conta no momento de utilizá-la em um novo projeto de uma rede local.
6 Estrutura da fibra óptica A seguir temos o esquema de uma unidade ótica e percebemos que tais componente só puderam ser desenvolvidos, devido a aplicação de tecnologias extremamente avançadas da ótica, da eletrônica e da mecânica de precisão.
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Figura 6.1 – Diagrama de uma unidade ótica
PD
Composto por 06 (Seis) fotodiodos detectores que são usados basicamente para leitura de dados gravados nos disco e correção de foco e outros fotodiodos são utilizados para a correção de track.
Lente Côncava
É a lente convergente com a função de concentrar os feixes refletidos do disco sobre o PD.
Diodo Laser
É o dispositivo semicondutor com a propriedade de emitir um feixe de luz monocromático de forma concentrada laser. Prisma AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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O prisma é um espelho dicróico, que atua como espelho para a luz proveniente do canhão laser, e como um vidro transparente para a luz refletida pelo disco, permitindo, assim, que a luz emitida pelo laser possa chegar aos diodos detectores, onde será transformada em sinal elétrico.
Grade É através dela que um único feixe emitido pelo diodo é dividido em três: um feixe principal mais dois sub-feixes.
Lente Colimadora
Esta lente serve para manter os dois sub-feixes paralelos ao feixe principal.
Bobinas de Track Ao girar, o disco se movimenta também horizontalmente. Como a luz laser deve estar caminhando exatamente sobre trilhas, é necessário que a lente se movimente horizontalmente, para permitir que o feixe se mantenha trilhado (em cima da trilha). Para que isto seja possível, a lente fica presa em um par de bobinas, denominado “BOBINAS DE TRACHING”, que são capazes de movimentálas para os lados, permitindo, assim, a correção dos erros de tracking. Quando o laser está “fora da trilha”, a leitura se torna impossível, gerando o que se chama de erro de leitura “Error”.
Bobinas de Foco Ao girar, o disco se movimenta verticalmente. Como o feixe de luz laser deve estar sempre tocando o disco com uma ponta muito fina, ou seja, em “FOCO”, é necessário que a lente se movimente para cima e para baixo, para que possa acompanhar os movimentos do disco, e assim manter o foco. Para que isso seja possível, a lente fica presa em par de bobinas, denominadas “BOBINAS DE FOCO”, que são capazes de movimentá-las para cima e para baixo, permitindo, assim, a correção dos erros de foco. Quando o laser está “em foco”, um feixe finíssimo toca o disco, ocupando apenas uma trilha do mesmo. Quando a lente está muito próxima, ou então muito distante do disco, o ponto de foco se dá fora de superfície do disco. Quando o laser está “fora do foco”, o feixe “engrossa”, fazendo a leitura de várias trilhas ao mesmo tempo, impossibilitando a identificação do sinal lido. Lente Difratora AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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Esta lente tem a função de corrigir o desvio do feixe, que é provocado quando este atravessa o prisma. Objetiva
É uma lente móvel tanto horizontalmente como verticalmente propiciando assim, a correção de FOCO e TRACK a partir das respectivas bobinas do CIRCUITO DE CORREÇÃO.
7 Fabricação da Fibra Óptica A fabricação da fibra ótica começa com largos tubos de vidros que são banhados em uma solução de ácido florídrico a fim de remover quaisquer impurezas do vidro. O tudo é colocado no centro de um torno onde será aquecido por uma chama de hidrogênio e oxigênio que são fundidos a 2000 graus Celsius. Coloca-s um novo tudo mais largo em outro torno que receberá uma mistura de gases químicos durante seu aquecimento, ao aquecer, os gases sofrem uma reação química que deixa um pó branco no interior do tubo de vidro. O calor funde o pó formando o que se converterá no núcleo da fibra de vidro, o tudo de vidro será a cobertura da fibra.
7.1 Fabricação de uma Pré-forma de vidro
Quando há pó suficiente, aumenta-se o calor até que haja a conversão do vidro, em seguida aquece-se o tubo de vido com a estrutura interna que com o intenso calor, irá colar-se em si mesmo para formar uma vara sólida que será a estrutura interna da fibra ótica. Neste momento temos a pré-forma. Para que se inicie o processo final, separa-se a pré-forma do tubo com um maçarico, a pré-forme é colocada verticalmente em uma torre que lhe dará a forma final. A torre aquece a pré-forme a 2000º C derretendo o vidro, em seguida usando uma lágrima do vidro como peso, se estica o vidro derretido até que se forme uma fibra fina. Uma série de polias mede a tensão da fibra enquanto ela está esticando. Um monitor assegura que a fibra tenha o diâmetro correto 125 micrometros (cerca de 1/8 de um milímetro de espessura). A fibra passa por lâmpadas ultravioletas que formam uma capa acrílica. Finalmente a fibra é enrolada em carretel onde está pronta para ser utilizada. Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras ópticas fabricadas de sílica pura ou dopadas são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações. Todos os processos de fabricação são complexos e caros. As fibras ópticas fabricadas de vidro composto e plástico não têm boas características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa largura AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação. Os processos de fabricação dessas fibras são simples e baratos se comparados com as fibras de sílica pura ou dopada.
7.2 Fabricação De Fibras De Sílica Pura Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra e a diferença entre eles está na etapa de fabricação da pré-forma (bastão que contém todas as características da fibra óptica, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda etapa de fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.
7.3 MCVD (Modificated Chemical Vapour Deposition)
Este processo consiste na deposição de camadas de materiais (vidros especiais) no interior de um tubo de sílica pura (SiO2). O tubo de sílica é o que fará o papel de casca da fibra óptica, enquanto que os materiais que são depositados farão o papel do núcleo da fibra. O tubo de sílica é colocado na posição horizontal numa máquina chamada torno óptico que o mantém girando em torno de seu eixo. No interior do tubo são injetados gases (cloretos do tipo SiCl4, GeCl4, etc.) com concentrações controladas. Um queimador percorre o tubo no sentido longitudinal elevando a temperatura no interior do tubo para 1500ºC aproximadamente. Os gases, quando atingem a região de alta temperatura, reagem com o oxigênio (gás de arraste) formando óxidos como SiO2, GeO2, etc. liberando o Cl2. Ocorre então a deposição de partículas sub-microscópicas de vidro no interior do tubo, as quais formarão o núcleo da fibra. A cada passagem do maçarico na extensão do tubo, deposita-se uma camada de 5 a 10 mm e esse processo repete-se até que o núcleo tenha dimensões apropriadas. Os óxidos GeO2 e P2O5 tem a função de variar o índice de refração da sílica pura (SiO2) de acordo com suas concentrações. Após a deposição do número correto de camadas é efetuado o colapsamento do tubo (estrangulamento) para torná-lo um bastão sólido e maciço denominado préforma. Isso é feito elevando-se a temperatura do queimador a 1800-2000ºC, e o tubo fecha-se por tensões superficiais. Por esse processo, obtêm-se fibras de boa qualidade porque a reação que ocorre no interior do tubo não tem contato com o meio externo, dessa maneira evita-se a deposição de impurezas, especialmente a hidroxila (OH-). Com esse processo, podem-se fabricar fibras do tipo multimodo degrau e gradual e monomodo.
7.4 PVCD (Plasma Chemical Vapour Deposition)
A diferença básica deste método, ilustrado abaixo, em relação ao MCVD é que ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-se um plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de microondas para a estimulação dos gases no interior do tubo de sílica. Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo, pois a AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade ressoante. A temperatura para deposição é em torno de 1100ºC. As propriedades das fibras fabricadas por este método são idênticas ao MCVD.
7.5 OVD (outside vapour deposition)
Este processo baseia-se no crescimento da pré-forma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril. Este mandril é colocado num torno e permanece girando durante o processo de deposiçào que ocorre sobre o mandril. Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são depositados no mandril através de camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposição do núcleo e também da casa, e obtêm-se pré-formas de diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais). Após essas etapas teremos uma préforma porosa (opaca) e com o mandril em seu centro. Para a retirada do mandril coloca-se a pré-forma num forno aquecido a 1500ºC que provoca a dilatação dos materiais. Através da diferença de coeficiente de dilatação térmica consegue-se soltar o mandril da pré-forma e a sua retirada. O próprio forno faz também o colapsamento da pré-forma para torná-la cristalina e maciça. Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo multimodo e monomodo de boa qualidade de transmissão.
7.6 VAD (Vapour Axial Deposition)
Neste processo, a casca e o núcleo são depositados, mas no sentido do eixo a fibra (sentido axial). Neste processo utilizam-se dois queimadores que criam a distribuição de temperatura desejada e também injetam os gases (reagentes). Obtém-se assim uma pré-forma porosa que é cristalizada num forno elétrico à temperatura de 1500ºC. Este processo obtém pré-formas com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo.
7.7 Fabricação De Fibras De Plástico
A fabricação de fibras de plástico é feita por extrusão. As fibras ópticas obtidas com este método têm características ópticas bem inferiores às de sílica, mas possuem resistência mecânica (esforços mecânicos) bem maiores que as fibras de sílica. Têm grandes aplicações em iluminação e transmissão de informações a curtas distâncias e situações que oferecem grandes esforços mecânicos às fibras.
8 Puxamento Uma vez obtida a pré-forma, por qualquer um dos métodos descritos acima, AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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esta é levada a uma estrutura vertical chamada torre de puxamento e é fixada num alimentador que a introduz num forno (normalmente de grafite, que utiliza maçaricos especiais ou lasers de alta potência) com temperatura de aproximadamente 2000ºC que efetuará o escoamento do material formando um capilar de vidro, a fibra óptica. O diâmetro da fibra depende da velocidade de alimentação da pré-forma no forno e da velocidade de bobinamento da fibra, ambas controladas por computador. O controle desse processo é feito através de um medidor óptico de diâmetro (que funciona a laser)
9 Tipos de Fibra Ótica
Existem dois tipos de fibras ópticas: as fibras multimodo e as monomodo. A infraestrutura que pretendemos desenvolver em nosso ambiente é que determina qual o tipo de fibra ótica que podemos utilizar. As fibras multimodo são mais utilizadas em aplicações de rede locais (LAN), enquanto as fibras monomodo são mais utilizadas para aplicações de redes de longa distância (WAN).
9.1 Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)
São fibras que possuem vários modos de propagação, o que faz com que os raios de luz percorram por diversos caminhos no interior da fibra. Devido a esta característica, elas se classificam de duas formas: fibras multimodo de índice degrau ou de índice gradual.
Figura 9.1.1 Propagação da Luz em uma fibra multimodo
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Multimodo de Índice Degrau
Possuem um núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca. As fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por isto, possuem características inferiores aos outros tipos de fibras, sendo que uma das deficiências que podemos enumerar é a banda passante que é muito estreita, o que restringe a capacidade de transmissão da fibra. A atenuação é bastante alta quando comparada com as fibras monomodo, o que restringe as aplicações com fibras multimodo com relação à distância e à capacidade de transmissão.
Figura 9.1.2 - Propagação da luz de Ìndice Degrau
Multimodo de Índice Gradual
Possuem um núcleo composto de um índice de refração variável. Esta variação permite a redução do alargamento do impulso luminoso. São fibras mais utilizadas que as de índice degrau. Sua fabricação é mais complexa porque somente conseguimos o índice de refração gradual dopando com doses diferentes o núcleo da fibra, o que faz com que o índice de refração diminua gradualmente do centro do núcleo até a casca. Mas, na prática, esse índice faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e cheguem à outra extremidade da fibra ao mesmo tempo praticamente, aumentando a banda passante e, consequentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica.
Figura 9.1.3 - Propagação da luz de Ìndice Gradual
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9.2 Fibras Monomodo (SMF - Single Mode Fiber)
As fibras monomodo possuem um único modo de propagação, ou seja, os raios de luz percorrem o interior da fibra por um só caminho. Também se diferenciam pela variação do índice de refração do núcleo em relação à casca, e se classificam em índice degrau standard, dispersão deslocada (dispersion shifted) ou non-zero dispersion. Por possuírem suas dimensões mais reduzidas que as fibras multimodos, as fibras monomodais têm a fabricação mais complexa. Contudo, as características destas fibras são muito superiores às multimodos, principalmente no que diz respeito à banda passante, mais larga, o que aumenta a capacidade de transmissão. Apresentam atenuação mais baixa, aumentando, com isto, a distância entre as transmissões sem o uso de repetidores. Os enlaces com fibras monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os repetidores, dependendo da qualidade da fibra óptica. As fibras monomodo do tipo dispersão deslocada (dispersion shifted) têm concepção mais moderna que as anteriores e apresentam características com muitas vantagens, como baixíssima atenuação e largura de banda bastante larga. Contudo, apresentam desvantagem quanto à fabricação, que exige técnicas avançadas e de difícil manuseio (instalação, emendas), com custo muito superior quando comparadas com as fibras do tipo multimodo.
Figura 9.2.1 Tipo de Fibra Monomodo
10 Tipos de Emendas
Emenda óptica consiste em uma junção permanente ou temporária de duas ou mais segmentos de fibras. Serve para aumentar a extensão de um cabo óptico, fazer a mudança de tipo de cabo, conectar um equipamento ativo ou fazer manobras em um sistema de cabeamento estruturado. Existem três tipos de emendas:
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10.1 Emenda ótica por Fusão Este processo consiste em "fundir" uma fibra óptica à outra, porém este é um processo difícil e demorado. Para que seja possível a fusão das fibras é necessária a utilização de uma "Máquina de Emenda Óptica" na qual as duas fibras são alinhadas frente a frente, mantendo-se uma pequena distância entre as mesmas. No local onde existe esta pequena distância encontram-se, de forma perpendicular com as fibras, dois "pólos" também alinhados frente a frente um com o outro, todavia, com certa distância entre os mesmos. Faz-se necessário passar energia elétrica de um pólo para o outro e devido à distância que existe entre os mesmos são formados arcos voltaicos que aquecem as fibras a temperaturas altíssimas, que provocam a fusão entre as mesmas, ou seja, a fibra é introduzida na máquina de fusão, limpa e clivada, para, após o delicado alinhamento apropriado, ser submetida à um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces das fibras, provocando o seu derretimento e a sua soldagem. Após o término do processo de fusão, é necessário fazer a cobertura das fibras ópticas nos pontos em que foram feitas as emendas. Para tanto existe um protetor de emenda feito de tubo cilíndrico termocontrátil transparente contendo um elemento metálico em aço inoxidável, o qual tem a finalidade de garantir o reforço mecânico das emendas, protegendo-a contra quebras e fraturas. Após a proteção, a fibra emendada é acomodada em recipientes chamados caixa de emendas. As caixas de emendas podem ser de vários tipos, de acordo com a aplicação e o número de fibras. Umas, por exemplo, são pressurizáveis ou impermeáveis, já outras são resistentes ao sol, para instalação aérea. O custo de todo o material necessário para este tipo de emenda é alto, pois o processo de "Emenda Óptica por Fusão" exige um custo alto de investimento nos equipamentos para a sua operação. Entretanto, este processo agiliza as instalações e garante uma grande confiabilidade no sistema. A clivagem, acima citada, é o processo de corte da ponta da fibra óptica. É efetuada a partir de um pequeno ferimento na casca da fibra óptica (risco), a fibra é tracionada e curvada sob o risco, assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra. A qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscópio.
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Figura 10.1.1 Máquina de fusão de fibra ótica
10.2 Emenda Mecânica Este processo consiste em alinhar duas fibras através do uso de um tipo de "luva" especialmente desenvolvida para tal finalidade, a qual mantém estas fibras posicionadas frente a frente, sem uni-las definitivamente. O custo de investimento em materiais para a operação deste tipo de processo é relativamente reduzido, porém não é aconselhável em sistemas que exijam uma grande confiabilidade.
Figura 10.2.1 Processo de emenda mecânica
10.3 Emenda por Acoplamento de Conectores Este processo é bem semelhante ao processo de Emenda Mecânica, onde duas fibras devem ser alinhadas. Entretanto, em cada fibra é colocado um conector óptico e estes dois conectores são encaixados em um acoplador óptico de modo a tornar possível o alinhamento entre as fibras, sem uni-las definitivamente. Isto é conseguido através do uso de outro tipo de conector chamado de Adaptador Óptico, esta emenda é executada de forma rápida, desde que os conectores já estejam instalados nos cordões ópticos.
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Ele
é
também
muito
usado
em
acessórios
ópticos
chamados
de
Distribuidores Ópticos, onde fazem a interface entre um cabo vindo de uma sala de equipamentos e os equipamentos ativos instalados no andar, no Armário de Telecomunicações. Este processo é o menos aconselhável de todos, já que apesar do custo mais reduzido é o que demanda maior tempo para realização.
Figura 10.3.1 Tipos de conectores
11 Perdas Sãos muitas as limitações enfrentadas por um cabo de fibra ótica ao longo e seu caminho, tais como: Fatores de Geradores de Atenuação / Fatores que restringem a taxa de transmissão / Meio Físico elém de diversas outras causas. 11.1 Perdas por Atenuação
As atenuações em fibras ópticas são causadas, basicamente, por 4 razões:
Absorção Como nenhum material é perfeitamente transparente, sempre ocorre uma absorção parcial de luz quando esta é forçada a atravessar um meio (absorção intrínseca). Numa fibra, além da absorção do material que compõe seu núcleo, pode haver variações de densidade, imperfeições na fabricação (absorção por defeitos estruturais), impurezas (absorção extrínseca) e outros fatores que aumentam ainda mais as perdas por absorção. Diversas impurezas podem contaminar uma fibra. O principal motivo de atenuações em alguns tipos de fibra é a contaminação por íons metálicos, que pode gerar perdas superiores a 1 dB/km, mas que atualmente já é controlada através de tecnologias utilizadas na fabricação de semicondutores.
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Há também a contaminação por íons hidroxila (OH -), causada por água dissolvida no vidro (também chamada de atenuação por pico de água, Water Peak Atenuation, WPA), que, por sua relevância nas tecnologias pioneiras de fibra óptica, definiram intervalos de frequências onde essa atenuação era mínima, as chamadas janelas ópticas ou janelas de transmissão. As janelas ópticas são as regiões onde não há picos de atenuação devido ao íon OH -. Embora, graças ao avanço das tecnologias, essa barreira já tenha sido superada, as janelas ópticas continuam a servir como referência para os sistemas ópticos, sendo cada uma delas associada a um tipo de aplicação específico.
Espalhamento Espalhamento é o fenômeno de transferência de potência de um dos modos guiados pela guia para si mesmo ou para outros modos. O principal é o espalhamento de Rayleigh, causado por variações aleatórias na densidade do material da fibra, advindas do processo de fabricação. Outros espalhamentos são causados por imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra, vibrações moleculares térmicas e outros fatores, sempre causando perda na potência de luz transmitida.
Curvaturas Quando a luz na fibra óptica encontra curvas, sejam elas macroscópicas (curva de uma fibra numa quina, por exemplo) ou microscópicas (pequenas ondulações na interface entre a casca e o núcleo), alguns raios de luz podem formar um ângulo inferior ao ângulo crítico e saírem da fibra, causando perda de potência.
Figura 11.1.1 Micro curvaturas
Características do guia de onda Na prática, a potência numa fibra óptica não está totalmente presa ao núcleo. Parte da potência pode viajar pela casca da fibra óptica, de forma que passa a sofrer com as atenuações do material do qual a casca é composta (maiores que as do núcleo), o que pode diminuir a capacidade de transmissão da fibra. Além desses fatores, ainda há a dispersão, que é um fenômeno resultante da diferença de velocidades de propagação que causa o “espalhamento” de um sinal no tempo (NÃO tem a ver com o espalhamento descrito acima,
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apesar do uso da mesma palavra), o que limita a taxa de transmissão através das fibras e colabora com sua atenuação. Como na fibra de índice degrau o índice de refração do núcleo é constante, a velocidade de propagação do feixe de luz também é constante e, assim, quanto maior a distância percorrida, maior o tempo gasto para se chegar ao outro extremo da fibra. Na fibra multímodo, cada um dos modos tem uma trajetória diferente, e, portanto, percorrem distâncias diferentes. Isso pode fazer com que as informações cheguem ao receptor em momentos distintos. Esse fenômeno é uma das facetas de um tipo de distorção e atenuação no sinal de saída chamada de dispersão. Deve-se ressaltar que este tipo de dispersão não ocorre apenas em fibras de índice gradual, mas também nas fibras de índice gradual. Nestas, no entanto, a variação gradual do índice de refração permite uma compensação da velocidade de propagação dos modos (raios) cujas trajetórias são mais longas. A dispersão torna-se mais grave conforme a taxa de envio aumenta, já que bits enviados em seguida, por estarem "espalhados",
12 Vantagens e Desvantagens da utilização de Fibras Ópticas
Dentre as vantagens na utilização da fibra óptica destacam-se:
Banda passante teoricamente enorme; Em cada uma das janelas ópticas, há aproximadamente 25 Thertz de capacidade potencial de banda. Isso dá uma banda total pelo menos 10000 vezes maior que sistemas de microondas da primeira metade da década de 90, que tinham uma banda passante de 700Mhz. Também no início da década de 90, fibras ópticas comerciais já chegavam a 200 Ghz.km, o que contrasta significantemente com a banda passante vezes distância útil máxima de 400Mhz.km de um cabo coaxial.
Atenuação muito baixa; As fibras ópticas apresentam perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuações da ordem de 3 a 5 dB/km na janela de 850 nm até perdas inferiores a 0,2 dB/km na janela de 1550 nm. Dessa forma, é possível implementar sistemas com um espaçamento muito grande entre os repetidores, o que reduz brutalmente os custos do sistema.
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Imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos; Por serem feitas de materiais dielétricos, as fibras ópticas não sofrem com interferências eletromagnéticas. Esse fato pode tornar-se vantajoso, pois as fibras são imunes a pulsos eletromagnéticos, descargas elétricas atmosféricas e imunes a interferências causadas por outros aparelhos elétricos.
Isolamento elétrico; Quando uma fibra óptica se rompe, não há faíscas, riscos de curto-circuito e outras condições que podem constituir perigo, dependendo da aplicação a que se destinam.
Compacidade; As fibras ópticas possuem dimensões próximas às de um fio de cabelo humano. Para se ter uma idéia do que isso representa, um cabo metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por 3,6 quilos de fibra óptica. É possível chegar-se a uma densidade de cabos da ordem de 10 6 fibras por cm 2 . Essa redução de tamanho permite aliviar o problema de espaço no subsolo de cidades e em instalações prediais.
Segurança; As fibras ópticas não irradiam quase nada da luz que propagam. A maior parte das tentativas de captação de mensagens do interior da fibra é detectável, pois tais tentativas exigem que seja desviada uma quantidade significativa da potência luminosa que corre no interior da fibra. Isso é uma característica que garante segurança à informação transportada.
Um outro fato, mais importante nas aplicações militares, é que as fibras ópticas não são detectáveis por sensores, como detectores de metais, o que dificulta sabotagens aos sistemas de comunicação que utilizam fibras ópticas.
Baixo custo potencial; As fibras são fabricadas a partir principalmente de quartzo e polímeros. O quartzo é um material abundante na Terra, ao contrário do cobre e dos demais metais utilizados nos outros cabos, o que o torna mais barato que o cobre. O que encarece os sistemas ópticos é o tratamento que esse quartzo precisa sofrer como forma de retirar impurezas das fibras e o custo dos emissores e receptores dos diferentes comprimentos de onda. Com o avanço da tecnologia, no entanto, esse custo tende a baixar.
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Possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutural Com a utilização da multiplexação por comprimento de onda, é possível aumentar a quantidade de banda passante sem a realização de obras estruturais, bastando apenas colocar multiplexadores e demultiplexadores nas pontas das fibras.
Como desvantagens, podemos citar:
Fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas; As fibras ópticas “nuas” exigem um manuseio muito mais cuidadoso do que o realizado com cabos metálicos.
Dificuldade para conexão; O fato de as fibras ópticas serem pequenas e compactas gera problemas para o encaixe de conectores em suas pontas e eleva sensivelmente o custo, em especial para as fibras monomodo.
Dificuldade para ramificações As fibras ópticas são mais adequadas para conexões ponto-a-ponto, pois seus acopladores de tipo “T” sofrem com perdas muito elevadas.
Impossibilidade de alimentação remota Ao contrário que ocorre com cabos elétricos, nas fibras ópticas é impossível que ocorra a alimentação remota do repetidor através do próprio meio. O repetidor deve estar localizado num local tal que ele seja abastecido pela energia elétrica. Seria difícil abastecê-lo remotamente por conta da atenuação que a energia elétrica sofreria até chegar até ele.
13 Redes de Fibra Ótica
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A seguir veremos as arquiteturas mais comuns de de redes usando fibras óticas e os tipos de fibras usadas nestas redes
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - As fibras óticas usadas nesta arquitetura possuem um limite de comprimento de 2 Km e operam a 100 Mbps ou 200 Mbps no caso do padrão FDDI-2
FOIRL (Fiber-Optic InterRepeat Link) - Este padrão antigo era usado na conexão entre repetidores de fibra ótica. Possuía um limite de comprimento de 1 Km e acabou cedendo seu espaço para o padrão 10BaseFL, principalmente porque os repetidores acabaram caindo em desuso à medida que os hubs passaram a incorporar estes componentes internamente.
10BaseFL - Este foi o primeiro padrão de redes Ethernet a utilizar conexão por fibra ótica. Sua taxa de transferência máxima é de 10 Mbps. A luz usada para transmitir dados neste padrão, possui um comprimento de onda de 850 nm e a fibra possui um limite de 2 km por segmento. Este padrão usa fibra do tipo Multimodo.
Este padrão possui variações, são elas:
FL - Vem de Fiber Link
10BaseFB (Fiber Backbone) – Não foi muito utilizado, seu objetivo era permitir um limite maior de número de repetidores interligados.
10BaseP (Fiber Passive) – Outro padrão criado porém nunca implementado por desinteresse dos fabricantes em desenvolver componentes para ele. Este padrão permitiu interligação de fibra óticas usando componentes passivos (sem alimentação elétrica) com limite de 500 metros por segundo e podendo interligar até 33 computadores
100BaseFX – Padrão de redes Ethernet usando fibras óticas Multimodo operando a 100 Mbps. A luz utilizada na transmissão de dados possui um comprimento de onda de 1350 nm e a fibra possui um limite de comprimento de 412 metros por segundo, se operando em modo halfduplex, ou seja, um único cabo sendo usado tanto pra transmitir como para receber dados.
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1000BaseSx – É Padrão de rede Gigabit Ethernet usando fibras óticas mais implementado. Utiliza uma luz com comprimento de onda de 850 nm na transmissão de dados e o limite de comprimento do segmento de fibra é de 220 metros. Sua taxa de transferência é de 1 Gbps. Sua principal aplicação é indicar o uso de um comprimento de onda curto na transmissão dos dados.
1000BaseLX – Segundo padrão de rede Gigabit Ethernet usando fibras óticas, obtendo um limite de comprimento do segmento da fibra superior ao 1000BaseSX. A luz utilizada na transmissão de dados possui um comprimento de onda de 1300 nm, usando fibras óticas de Multimodo o limite comprimento de cada trecho e fibra é de 550 metros. Este padrão permite também o uso de fibras monomodo onde o limite de comprimento é de 5 km.
ATM – Redes ATM tipicamente operam a dias velocidades: 15555 Mbps ou 622 Mbps. As fibras óticas usadas são as mesmas do padrão 1000BaseX
14 Conectores
Há vários tipos de conectores ópticos no mercado, cada um voltado a uma aplicação. Basicamente, os conectores são constituídos de um ferrolho com uma face polida, onde é feito o alinhamento da fibra, e de uma carcaça provida de uma capa plástica. Os diversos tipos de conectores variam nos formatos e na forma de fixação (encaixe, rosca). Os conectores são todos machos, ou seja, os ferrolhos são estruturas cilíndricas ou cônicas, dependendo do tipo de conector, que são inseridos em adaptadores ópticos. Os conectores utilizam acoplamentos frontais ou lenticulares, sendo que existem três tipos de acoplamentos frontais: quando a superfície de saída é maior que a de entrada, quando a superfície de saída é igual à de entrada e quando a superfície de saída é menor que a de entrada. E existem acoplamentos lenticulares do tipo simétrico e assimétrico. Os requisitos dos conectores são a montagem simples, uma forma construtiva estável, pequenas atenuações e proteção das faces das fibras e os fatores que influenciam em sua qualidade são o alinhamento, a montagem e a características de transmissão das fibras. Lembrando que existem conectores para fibra única e para várias fibras (múltiplo). Com relação à forma que se realiza o alinhamento pode ter vários tipos de estruturas sendo que os mais comuns são os circulares e os tipo V-GROOVE. Os AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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tipos circulares são recomendados para conexões duradouras enquanto que os VGROOVE para situações provisórias de conexões de fibras nuas (sem revestimento).
D4 / SC Duplex / SMA
ST / LC / MTP
MTRJ / VOLITION / E2000
ESCON / FC / FDDI
BICONIC / SC
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15 Aplicações da Fibra Óptica Como já vimos, a fibra ótica possui diversas aplicações em diversos campos, abaixo descreveremos as aplicações em seu respectivos campos.
15.1 Fibras Ópticas na Instrumentação
15.1.1 Sensores
Um sensor é um dispositivo que atua como um transdutor: “traduz” o sinal causado pela propriedade física do meio em estudo (como pressão ou temperatura) em um tipo de sinal cujas características têm informações sobre o fenômeno ocorrido.
15.1.2 Emprego de Fibras Ópticas na construção de sensores:
Sensores interferométricos utilizando Fibras monomodo. São usados dois “braços” de Fibras com comprimentos iguais aos quais é acoplada luz. Um dos braços atua como referência e o outro vai ser submetido a algum distúrbio do ambiente. A luz de saída das duas Fibras é recombinada, formando um padrão de interferência. À medida que o braço sensor sofre as influências do distúrbio, as franjas de interferência se deslocam a uma razão que é proporcional à intensidade do distúrbio cuja magnitude se deseja medir;
Se a intensidade de luz acoplada a uma fibra quase monomodo é medida em certo instante de tempo após o qual se submete a fibra a micro-curvaturas (geradas por variações de pressão de ondas acústicas, por exemplo) espera-se uma diminuição na intensidade de saída porque os modos de ordens mais altas encontrarão os seus corte, devido às variações na diferença de índices de refração entre o núcleo e a casca induzidos pelas micro-curvaturas.
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15.1.3 Exemplos de sensores construídos com Fibras Ópticas:
Micro pontas de prova para medição de temperatura: as pontas de prova são equipadas com transdutores nas pontas, os quais possuem um cristal cuja luminescência varia com a temperatura (-50 a +200oC); Sensores de pressão construídos com o emprego de uma membrana móvel numa das extremidades da Fibra. A Fibra é encapsulada em um cateter e a membrana se movimenta de acordo com a pressão (0 a 300 mm de Hg); Sensores químicos construído com o emprego de uma membrana permeável numa das extremidades da Fibra. A membrana contém um indicador reversível que responde a um estímulo químico mudando sua absorção ou luminescência.
15.2 Sistemas de Comunicações
As redes públicas de telecomunicações provêm uma variedade de aplicações para os sistemas de transmissão por fibras ópticas. As aplicações vão desde a pura substituição de cabos metálicos em sistemas de longa distância interligando centrais telefônicas (urbanas e 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.
15.3 Rede Telefônica
Uma
das
aplicações
pioneiras
das
fibras
ópticas
em
sistemas
de
comunicação corresponde aos sistemas troncos de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas troncos exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilômetros. As fibras ópticas, com AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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suas
qualidades
de
grande
banda
passante
e
baixa
atenuação,
atendem
perfeitamente a esses requisitos. A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas minimizam os custos por circuito telefônico, oferecendo vantagens econômicas significativas.
15.4 Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
A rede local de assinantes, isto é, a rede física interligando assinantes à central telefônica local, constitui uma importante aplicação potencial de fibras ópticas na rede telefônica. Embora as fibras ópticas não sejam ainda totalmente competitivas com os pares metálicos, a partir da introdução de novos serviços de comunicações (videofone, televisão, dados etc.), através das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), o uso de fibras ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativo.
15.5 Cabos Submarinos
Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem atualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a uns espaçamentos máximos entre repetidores da ordem de 5 a 10 km.
As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 3ª geração (1,3µm), permitem atualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4ª geração
(1,55µm),
alcances
sem
repetidores
superiores
a
100
km
serão
perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensão e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para atender à crescente demanda por circuito internacionais de voz e dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite. AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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15.6 Uso de Fibras Ópticas na Medicina:
•
Confecção de endoscópios com feixes de Fibras Ópticas para iluminação;
•
Uso de Fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser, como:
•
Cirurgias de descolamento de retina;
•
Desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traquéia);
•
Desobstrução de vias venosas (“limpeza” de canais arteriais, evitando pontes de safena);
•
Uso odontológico: aplicação de sedantes.
15.7 Laser de Fibra
Emprega-se uma Fibra a base de sílica dopada em seu núcleo com algum elemento terra-rara, como o érbio ou o neodímio. A presença destes elementos em algumas partes por milhão é o bastante para que, após o bombeio, a Fibra floresça com picos intensos em vários comprimentos de onda de extremo interesse como, por exemplo, a 1,55mm (comprimentos de onda onde as Fibras de sílica “normais” podem apresentar mínimos em atenuação e dispersão materiais). A Fibra dopada, adequadamente bombeada, pode ser usada como meio amplificador (o sinal a ser amplificado coincide com algum pico de fluorescência) ou como um laser, se inserida entre dois espelhos convenientemente selecionados.
15.8 Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações
A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um repetidor. Sua capacidade de transmissão superior é possível devido a seu pequeno núcleo – entre 5 e 10 mm de diâmetro. Isto limita a luz transmitida a somente um modo principal, o que minimiza a distorção dos pulsos de luz, aumentando a distância em que o sinal pode ser transmitido.
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Praticamente todas as aplicações de telefonia e CATV (TV a cabo) utilizam a Fibra monomodo em função das maiores taxas de transmissão e menores atenuações do sinal. Redes de dados que requeiram taxas de transmissão de gigabits também precisam utilizar a Fibra monomodo. A Fibra multimodo é usada em sistemas de comunicação como LANS (Local Área Networks) e WANs (Wide Área Network) em campi universitários, hospitais e empresas. O diâmetro de seu núcleo é largo em comparação ao comprimento de onda da luz transmitida. Por isso, a Fibra multimodo propaga mais que um modo de luz. Com seu relativamente grande núcleo, a Fibra multimodo é mais fácil de conectar e unir; é a Fibra escolhida para aplicações de curta distância consistindo de numerosas conexões. Fibras multimodo de índice gradual também são preferidas quando o bom acoplamento com a fonte de luz é mais importante do que a atenuação do sinal na Fibra, ou ainda quando há preocupação com radiação, uma vez que estas Fibras podem ser construídas com núcleo de pura sílica que não é grandemente afetado pela radiação.
15.9 Comunicações Uma das aplicações militares pioneira no uso da tecnologia de fibras ópticas consiste na simples substituição de suportes de transmissão metálicos nos sistemas de comunicação de voz e dados de baixa velocidade em instalações militares. Além de um melhor desempenho em termos de alcance, banda passante e imunidade ao ruído, as fibras ópticas oferecem a esses sistemas vantagens exclusivas. Por exemplo, a informação transportada pela fibra óptica é dificilmente violada ao longo do sistema de transmissão, em razão da característica de isolação eletromagnética e pelas facilidades de localização de derivações de potência óptica ao longo do cabo, garantindo assim um alto grau de privacidade na transmissão de dados “sensíveis” o meio de transmissão pode percorrer sem riscos lugares de armazenamento de combustíveis ou explosivos; o reduzido volume e peso dos cabos ópticos provêm importantes facilidades operacionais no transporte e instalação dos sistemas.
Esta última qualidade das fibras ópticas é particularmente vantajosa em sistemas táticos de comando e comunicações, permanentes ou móveis, interligando armamentos sofisticados e unidades militares dispersam. As conexões remotas AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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entre um radar e a estação de processamento de sinais podem, por exemplo, ser mais longas garantindo maior segurança ao pessoal de operação.
A aplicação de fibras ópticas em sistemas de comunicações militares a longa distância, além das motivações básicas das aplicações civis (maior alcance e capacidade de transmissão), busca usufruir as suas qualidades operacionais e de segurança. Por exemplo, nos EUA um enlace óptico 147 km suporta o sistema primário de comunicações para controle e testes de mísseis MX e na Coréia do Sul foi construída uma rede de comunicações táticas com 667km de cabos ópticos. Em nível local, uma das grandes aplicações de fibras óticas em sistemas militares de comunicações é na realização de barramentos de dados em navios e aviões. Além da melhor desempenho, este tipo de aplicação das fibras ópticas tem na redução de volume e peso uma das suas principais motivações. Um avião bombardeiro, por exemplo, pode ter seu peso reduzido de 1 tonelada se no seu cabeamento interno forem utilizadas apenas fibras ópticas. Nos EUA está sendo desenvolvido um helicóptero, o HLX (light helicopter, experimental), onde os sistemas de controle de vôo, de armamentos e de dados internos são totalmente baseados na tecnologia de fibras ópticas.
15.10 Redes Locais de Computadores
As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de comunicação de dados que costumam ser classificados, segundo as distâncias envolvidas, em redes de computadores de longa distância ou redes locais de computadores. As redes de computadores a longa distância utilizam-se dos meios de transmissão comum à rede telefônica. Embora geralmente usem técnicas distintas (comutação de pacotes, modem etc.) essas redes a longa distância são implantadas ou integradas nos mesmos suportes físicos de transmissão da rede telefônica. Assim sendo, o uso de fibras ópticas em sistemas de comunicação de dados a longa distância acompanha a evolução da aplicação de fibras ópticas na rede telefônica (cabos troncos, cabos submarinos, RDSI etc.). As redes locais de computadores, utilizadas para interconectar recursos computacionais diversos (computadores, periféricos, banco de dados etc.) numa AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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área privada e geograficamente limitada (prédio, usina, fábrica, campus etc.), caracterizam-se pela especificidade e variedade de alternativas tecnológicas quanto ao sistema de transmissão voltada principalmente para aplicações em automação em escritórios e em automação industrial, como requisitos exigentes em termos de confiabilidade, capacidade de uma excelente alternativa de meio de transmissão. Embora
os
custos
e
alguns
problemas
tecnológicos
ainda
inibam
sua
competitividade com os suportes convencionais, as fibras ópticas, em determinadas aplicações, apresentam-se como a melhor e às vezes única alternativa de meio de transmissão para as redes locais de computadores.
15.11 Televisão por Cabo (CATV)
A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é outra classe de aplicações bastante difundida. As fibras ópticas têm sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos. Também nos circuitos fechados de TV, associados os sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão. Entretanto, a aplicação maior consumidora de fibras ópticas para a transmissão de sinais de vídeo é constituída pelos sistemas de televisão por cabo (CATV). As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade
de
transmissão,
possibilidades
de
alcance
sem
repetidores
(amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30 km. Além de melhor desempenho, a tecnologia atual de transmissão por fibras ópticas é competitiva economicamente e apresenta confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais banda-larga.
15.12 Sistemas de Energia e Transporte
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A difusão das fibras ópticas nas redes públicas de telecomunicações tem estimulado a aplicação desse meio de transmissão em sistemas de utilidade pública que provêm suas próprias facilidades de comunicações, tais como os sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e os sistemas de transporte ferroviário. As facilidades de comunicações incluem, além de serviços de comunicação telefônica, serviços de telemetria, supervisão e controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de alguns quilômetros ao longo de linhas de transmissão ou linhas férreas. Embora estes sistemas geralmente não requeiram grandes bandas passantes, o uso de fibras ópticas é atraente, principalmente em função de suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação elétrica e baixas perdas. Sistemas de transmissão digital PCM a 2 Mbps, bem como cabos ópticos especiais para este tipo de aplicação têm sido experimentados ou colocados em operação comercial nos últimos anos.
15.13 Aplicações da Fibra Óptica para fins Militares
As aplicações militares de fibras ópticas incluem desde sistemas de comunicações de voz e dados a baixa velocidade, onde as fibras ópticas simplesmente
substituem
suportes
metálicos
convencionais,
até
aplicações
específicas envolvendo sistemas de navegação e controle de mísseis ou torpedos guiados por cabo. Os sistemas sensores com fibras ópticas também encontram uma boa gama de aplicações militares em navios e aeronaves de um modo em geral, ou em aplicações específicas, por exemplo, de defesa submarina.
15.14 Aplicações Específicas
Uma aplicação específica das fibras ópticas no domínio militar é a dos mísseis teleguiados por cabo. Neste tipo de sistema, ilustrado na figura abaixo, um enlace com fibra óptica de alta resistência à tração liga (bidirecionalmente) o míssil a um centro de controle, permitindo um melhor controle de pintaria através da monitoração visual do alvo. As qualidades das fibras ópticas em termos de grande banda passante, imunidade a interferências e não vulnerabilidades face aos radares inimigos são essenciais a este tipo de aplicação. Considerando atualmente o maior AS – Fundamento de Redes de Computadores - Fibra Ótica
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mercado
militar
da
tecnologia
de
fibras
ópticas,
este
tipo
de
aplicação,
considerando-se apenas o programa FOG-M (Fiber Optic Guided Missible) nos EUA, deve consumir cerca de 300000 km de fibras ópticas até 1990. Sistemas sensores com fibras ópticas também têm encontrado uma variedade de aplicações no domínio militar. Um dos mais utilizados é o giroscópio óptico que oferece vantagens com aos mecânicos, em termos de maior precisão, peso reduzido e maior segurança. A aplicação militar de giroscópios ópticos inclui sistemas de navegação automática em aviões, navios, submarinos, mísseis, espaçonaves, satélites, etc. outro sistema sensor de interesse para a Marinha é o acústico. Acoplados a redes de cabos ópticos submarinos, os sensores acústicos permitirem implantar, por exemplo, sofisticados sistemas de defesa submarina.
CONCLUSÃO
Não mas que 20 anos se passaram, desde que um programa intensivo de pesquisas em todo o mundo se iniciou tendo como objetivo as comunicações ópticas. Nesse período observou-se um progresso espetacular na tecnologia relacionada com a fabricação das fibras óticas, nas técnicas de emendas, nos processos de medidas e no desenvolvimento das fontes de emissão e detecção de sinais ópticos.
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Todo esse progresso levou á obtenção de fibras com baixas perdas praticamente atingido o limite teórico de atenuação com faixa ampla, sem dispersão, mantendo as características mecânicas que permitem seu manuseio. hoje as boas fibras são mas resistentes que fios de mesmo diâmetro. Com isto as comunicações ópticas passaram a ser mola propulsora das mudanças que conduzem ás telecomunicações do futuro, que serão caracterizadas por redes com integração de serviços, topologias distribuídas, configurações flexíveis, bidirecionalidade, etc... Compreender as tecnologias ópticas a partir de sua base cientifica torna-se hoje
portanto
requisitos
indispensável
para
assimilar
a
evolução
das
telecomunicações.
BIBLIOGRAFIA
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