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Fibras Ópticas TEORIA E PRÁTICA junho 2005 Volume 1, Edição 2

F FIBRAS ÓPTICAS e LUZ Uma combinação brilhante parceria

CAPÍTULO 1 Fernando Antonio Mota

Fibras Ópticas e Luz Uma combinação brilhante

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Um Pouco de História

A Luz

Refração - O Fenômeno

Como Funciona uma FO

Um Sistema Óptico

Prós e Contras

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Um Pouco de História

A idéia de se utilizar luz para comunicação não é nova. Os faróis marítimos, por séculos têm orientado e advertido marinheiros dos perigos. Uma das primeiras transmissões de mensagens via óptica aconteceu entre Paris e Lille (230 km), por volta de 1790. Claude Chappe utilizando-se de fontes luminosas, estrategicamente distribuídas, fez sua mensagem viajar até o destino em cerca de 15 minutos. Mas a primeira experiência envolvendo o princípio básico das fibras ópticas – reflexão interna, data de 1870 tendo sido fruto de uma demonstração realizada pelo filósofo inglês John Tyndall à Royal Society of Siencia. O arranjo de Tyndall era simples, mas engenhoso Consistia em injetar luz em um jato de água que saia de um recipiente através de um furo. Pode-se assim constatar que a luz percorria o interior do jato descrevendo sua trajetória parabólica, ficando aprisionada em seu interior.

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Como o guia sugerido por Tyndall era impraticável, a idéia de aproveitá-lo foi abandonada. Em 1880, Alexander Graham Bell criou o photophone, que pode ser considerado o precursor do telefone. Nesse equipamento falava-se em um microfone que fazia um espelho vibrar. A luz do sol, ao atingir o espelho, era modulada por sua vibração e transmitida por uma distância de até 200 m sem obstáculos. No receptor a luz fazia o trabalho inverso, ou seja, ela causava a vibração de um cristal que reproduzia a mensagem.

Embora o invento permitisse a conversação o meio (ar) não era adequado já que o funcionamento restrito ao dia, e a necessidade de visada entre Tx/Rx, o que causou o abandono da idéia. Em 1950 retomaram-se as pesquisas visando encontrar um guia de onda conveniente, chegando-se aos primeiros Bastões de vidro que inicialmente foram usados para transmitir imagens. Somente na década de 60 é que foram produzidas, em laboratórios, as primeiras fibras destinadas a servir de meios para transmitir voz e

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dados. Devido ao alto grau de impurezas essas fibras apresentavam atenuações da ordem de 1000 dB/Km. No início dos anos 70 já eram produzidas, ainda em caráter experimental, fibras com atenuação de 20 dB/Km, sendo que em apenas dois anos essas fibras já haviam atingido a marca de apenas 4 dB/Km de atenuação. Em 1975 as fibras passaram a ser produzidas industrialmente, e já na década de 90 as fibras comercializadas apresentavam atenuação que não excedia 0,20 dB/Km

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A Luz

A natureza da luz sempre foi motivo de discussão. Desde a antiguidade até nosso tempo, de Euclídes (300 a.C.) a Einstein e Planck. O problema é que dependendo da ótica a luz se comportava como onda ou como partícula.

A luz, como onda, também faz parte do espectro eletromagnético, como as ondas de rádio, os raios X etc. Essas ondas viajam no vácuo com velocidade aproximada de 300.000 Km/s, em outros meios não opacos, como o vidro e a água, essa velocidade é um pouco menor.

Se todas essa formas de energia são ondas o que = v / f as diferencia? Somente o Equação 1 comprimento das ondas.

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Refração – O Fenômeno

Como revimos a luz, como onda eletromagnética, tem uma velocidade constante de aproximadamente 300.000 km/s viajando no vácuo. Em outros meios não opacos, sejam eles sólidos ou líquidos sua velocidade continua constante, porém de valor inferior. A essa variação que a velocidade da luz sofre, ao passar de um meio para outro, é o que chamamos de REFRAÇÃO. É a refração que ocasiona ilusões como quando olhamos para um lápis

A equação 1 relaciona a velocidade da onda (m/s), sua freqüência (Hz) e seu Comprimento de onda (m). As propriedades físicas de cada meio facilitam transmissões de determinados comprimentos de onda. Um bom exemplo são as

A luz deveria ser onda, pois só assim se poderia explicar seu comportamento em fenômenos como reflexão, refração e difração. Porém, o que explicaria o desvio transmissões ópticas. Nelas são sofrido pelos raios luminosos, ao utilizados basicamente três passar perto de corpos celeste? As comprimentos 850, 1310 e 1550 atrações gravitacionais, próprias da nm, que são conhecidos como interação entre massas, seria uma JANELAS ÓPTICAS. boa explicação, mas a luz teria de ser uma partícula, ter massa. Assim, hoje se aceitam Os sistemas ópticos utilizam ondas cujos ambas teorias a comprimentos estão na faixa dos raios ondulatória e a Infravermelhos, logo podemos dizer que, corpuscular. o que é transmitido, através das fibras ópticas, não é LUZ e sim CALOR. Na teoria ondulatória a NUNCA olhe para a ponta de uma fibra luz é tratada como sendo ativa além de não ver nada você estará campos lesionando os olhos. eletromagnéticos oscilantes (energia em propagação), já na corpuscular ela é tratada como pacotes de energia chamados fótons.

Note:

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parcialmente imerso em um copo de água e ele nos parece partido, ou quando observamos um peixe em um aquário e ele nos parece mais próximo que realmente está. Vamos agora definir um importante parâmetro óptico, intrínseco ao meio, que nos dirá quanto a luz é mais lenta nesse meio em relação ao vácuo. A esse parâmetro que caracteriza qualquer meio não opaco n=C/v chamamos de ÍNDICE DE Equação 2 REFRAÇÃO (n). O índice de refração de um meio é dado pela relação entre as velocidades da luz viajando no vácuo e viajando no meio material.

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A seguir estão listados os valores dos Índices de Refração para alguns meios:

Meio Vácuo Ar Água Vidro Diamante

aquário em que sua superfície aquosa seja um plano, no qual incide um raio luminoso.

Índice n

Devemos ao matemático holandês Willebrord van Roijen Snell, o enunciado da principal lei da refração da luz: a lei de Snell. Por essa lei o produto do índice de refração do primeiro meio e o seno do ângulo de incidência é igual ao produto do índice de refração do segundo meio e o seno do ângulo de refração.

1,0000 1,0004 1,3300 1,5000 2,0000

O índice de refração de um meio depende da radiação, uma vez que ele é inversamente proporcional à velocidade de propagação desta radiação. Um exemplo disso é a refração da luz visível em um prisma. A Luz visível é policromática, isto é formada de várias cores, no ar, cujo n1, todas as radiações (cores) apresentam a mesma velocidade e não as distinguimos. Ao entrar no prisma, (n>1) as cores são separadas de acordo com seu comprimento de onda. A luz vermelha (de maior comprimento de onda) é a de maior velocidade enquanto que a luz violeta é a de menor. Isso nos leva a pensar que, um mesmo material possui um índice de refração que está contido em um intervalo que vai de máximo para a luz violeta ao mínimo para a luz vermelha (tomando como exemplo a faixa de radiação visível). Isso será importante para entendermos, mais tarde, o fenômeno da dispersão cromática. Vamos agora discutir um pouco de óptica geométrica, mais especificamente a reflexão e a refração. Para tal, imaginemos um

Por uma propriedade do movimento ondulatório, quando uma forma de energia como a luz ou o som se transmite por um meio e chega a um outro, diferente, o normal é que parte da energia penetre no segundo meio e parte seja refletida (Reflexão de Fresnel). Assim, se um raio de luz que se propaga através de um meio homogêneo, no caso o ar, incide sobre a superfície de um segundo meio homogêneo, a água no caso do aquário, parte da luz é refletida e parte entra como raio refratado no segundo meio.

Fica fácil demonstrar que quando os raios incidentes vêm de um meio menos denso ( menor índice de refração) para um mais denso o raio refratado se aproxima da normal, caso contrário de afasta. O raio não sofre desvio se a

incidência é perpendicular. Uma clássica experiência utilizada para demonstrar essa lei é a imersão de um lápis em um copo com água.

A quantidade de luz refletida depende da relação entre os índices de refração de ambos os meios. O ângulo de incidência é o formado pelo raio incidente e a normal ao plano de incidência. Os ângulos de reflexão e refração se definem de modo análogo. As leis da reflexão afirmam que o ângulo de incidência é igual ao angulo de reflexão.

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4 F i b r a 1

Como Funciona uma FO

Se, ao passar de um meio 2 para um meio 1, onde n2 > n1, o raio se afasta da normal, então deve existir um determinado ângulo de incidência, para o qual o raio refratado forma um ângulo de 90 ° com a normal, avançando justamente próximo da superfície de separação de ambos os meios. É o chamado ângulo crítico c. Qualquer angulo de incidência maior que o Angulo Crítico (1), provocará a REFLEXÃO TOTAL desse raio. Esta é a propriedade que permite a transmissão de sinais em Fibras Ópticas. É o seu PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Então, para confinarmos a luz no interior da fibra, precisamos de, no mínimo, dois índices de refração diferentes. As fibras ópticas são construídas de forma a explorar o fenômeno da reflexão total da luz, criando-se diferenças nos índices de refração do seu centro (núcleo) para seu exterior (casca), confinando a luz em seu interior.

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Um Sistema Óptico

Agora que já compreendemos como a luz se propaga nas fibras ópticas vamos entender um pouco dos sistemas ópticos. Nesses sistemas, o principal componente, é o meio de transmissão, o guia de ondas que possibilitou essa tecnologia – a fibra óptica. Cada fibras normalmente transmite no modo simplex, ou seja num único sentido, sendo necessário pelo menos um par de fibras para se estabelecer um enlace full-duplex. Também fazem parte desses sistemas os emissores e os detetores ópticos, responsáveis pela conversão de sinais elétricos em pulsos de luz e vice-versa. Como equipamentos auxiliares temos ainda os Bastidores de Emendas Ópticas (BEO), destinados a abrigar protegendo fisicamente as folgas das fibras e as emendas ópticas; os Distribuidores Internos Ópticos (DIO) necessários ao fácil acesso às fibras através das terminações ópticas. Um último componente, não menos importante é a caixa de emenda

óptica. Essas caixas são responsáveis por abrigar, proteger e facilitar o acesso às fibras e respectivas emendas ao longo do enlace.

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Prós e Contras

As fibras ópticas, devido as suas características, apresentam algumas vantagens em relação a outros meios físicos de transmissão convencionais, como o par trançado e o cabo coaxial. Dentre elas destacamos:

VANTAGENS

LARGUARA DE BANDA E BAIXA PERDA Um grave problema dos outros meios físicos, a largura de banda, é minimizado. Com sistemas ópticos, mais dados podem ser enviados ao mesmo tempo e em maiores velocidades. Devido às baixas perdas de energia no guiamento da luz, os links podem ser mais longos. Dessa forma, os enlaces ópticos reduzem não só o número de cabos como também o de equipamentos terminais (CEO/COE) e intermediários (REPETIDORES) necessários. Esta redução se traduz em melhor rentabilidade, e menor complexidade do sistema.

em relação aos cabos metálicos de capacidade equivalente.

IMUNIDADE A INTERFERÊNCIA As fibras ópticas são constituídas de material dielétrico, não sofrendo interferências eletromagnéticas de nenhuma natureza. Incluindo pulsos e perturbações eletromagnéticas atmosféricas. Como não há tráfego de corrente elétrica, a comunicação é limpa e imune ao cross-talk.

SEGURANÇA Como as comunicações por fibras óticas não geram emissões EM, não são de fácil acesso e são impossíveis de seccionar sem detecção, podemos dizer que elas fornece uma boa confiabilidade a segurança e ao sigilo das comunicações.

DESVANTAGENS Como tudo na natureza, as fibras ópticas também apresentam suas desvantagens como:

CUSTO DOS EQUIPAMENTOS Alto custo dos equipamentos para conversão elétrico-ópticoelétrico o que restringe o uso aos grandes sistemas.

TAMANHO E PESO A enorme redução do tamanho dos cabos, provida pelas fibras ópticas, permite minimizar o problema de espaço e de congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. A combinação de tamanho e baixo peso faz das fibras ópticas o meio de transmissão ideal para uso em aviões, navios, satélites, etc. Os cabos ópticos também oferecem vantagens quanto ao armazenamento, transporte, manuseio e instalação

mais de uma etapa para sua efetivação (provisório+definitivo) dependendo da localização do mesmo.

RESUMO Neste capítulo vimos que a idéia de usar luz para se comunicar não é nova. Também que a luz se comporta como onda e como partícula. E o estudo de cada comportamento é feito por um ramo da Óptica. De acordo com a óptica geométrica, a luz pode ser tratada como raios. A luz ao passar de um meio para outro uma parte se reflete e outra penetra nesse meio. A refração é provocada pela alteração da velocidade da luz ao passar de um meio para outro. Dependendo do Angulo de incidência, do sentido dos raios e dos índices de refração dos meio pode acontecer a reflexão total. O princípio de funcionamento das fibras ópticas é a reflexão total da luz. Os sistemas ópticos embora apresentem muitas vantagens ainda são onerosos e inviabilizam algumas aplicações

FRAGILIDADE O manuseio das fibras ópticas sem encapsulamento é muito delicado, requerendo técnicas especiais, pessoal especializado e equipamentos especiais, o que acarreta em alto custo das equipes de instalação / manutenção.

REPARO DIFÍCIL O reparo de um cabo danificado é demorado e difícil podendo exigir

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Fibras Oticas Introdução  

Principio de Funcionamento