Sumário. 1. Introdução Topologias Cabeamento Física das redes computacionais de fibra óptica...11

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1 1 Curso: Ciências da computação Disciplina: Física aplicada à computação Professor: Benhur Borges Rodrigues Estudo sobre a física das redes computacionais com ênfase na fibra óptica Grupo: Ederson Luis Posselt Geovane Griesang Ricardo Cassiano Fagundes Santa Cruz do Sul, 12 de Outubro de 2007

2 2 Sumário 1. Introdução Topologias Topologia física Barramento (linear) Topologia física Estrela Topologia física anel Topologia lógica Ethernet Topologia lógica Token Ring Topologia lógica Arcnet Wireless Cabeamento Cabo coaxial Par trançado Física das redes computacionais de fibra óptica Composição do cabo de fibra óptica Reflexão Reflexão espetacular Reflexão difusa Leis da reflexão Reflexão interna total Refração Tipos de fibra óptica Multimodo de Índice Degrau Multimodo de Índice Gradual Fontes de luz LEDs - Light Emition Diode ILD - Injection LASER Diode Modulação Multiplexação Codificador/Decodificador Aplicações das fibras ópticas nas redes de computadores Sistemas de comunicação (rede telefônica) Cabos submarinos Televisão por cabo (CATV) Redes locais de computadores Considerações finais...24 Referências...25

3 1. Introdução A microinformática foi o grande motivador para o surgimento das redes de computadores. Uma nova realidade surgiu com a concretização dos microprocessadores e microcomputadores, pois, antes disto, a computação era cara, centralizada e seu uso exigia um treinamento longo e custoso. Então, com o surgimento da microinformática, surgia a perspectiva de tornar a computação barata, difundida para toda a sociedade, descentralizada e de uso amigável após um curto treinamento (bem menos custoso). A sociedade reagiu imediatamente a esse estímulo e os microcomputadores, rapidamente, passaram a fazer parte do ambiente cotidiano do trabalho, do lar e do lazer. Com o crescente uso dos computadores, surgiu a necessidade do compartilhamento de recursos, tanto de máquinas quanto de programas e bases de dados. Certamente, comprar uma impressora, drive de disquete e/ou CD-ROM para cada computador (mais as mídias para gravação) não seria a maneira mais produtiva nem a mais barata de realizar a troca de arquivos, principalmente em uma equipe de trabalho onde diversas pessoas precisam trabalhar em um mesmo projeto. A solução para esse problema foi interligar os microcomputadores em rede, possibilitando a centralização dos arquivos em apenas um lugar, consequentemente, a versão mais recente do projeto sempre estaria disponível. Contudo, é importante destacar que, quando as pessoas trabalham em grupo, concretizam tarefas inteiras num menor espaço de tempo e com menos esforço. Os sistemas operacionais evoluíram juntamente com as redes, permitindo que apenas o conteúdo compartilhado esteja disponível, porém, não são todas as pessoas que podem acessar os arquivos, senhas com permissões de acesso podem ser definidos pela pessoa responsável por gerenciar a rede. Uma rede mundialmente conhecida é a internet, que nada mais é do que uma rede em escala mundial, interligando computadores entre os diferentes continentes. A internet permite a comunicação e troca de arquivos entre usuários localizados em diferentes pontos do mundo. A informação (os dados de uma base de dados, por exemplo) é um dos bens mais importantes para qualquer empresa, por isto, as redes podem centralizar o backup de dados para sua organização, fazendo com que a proteção a esses documentos torne-se uma tarefa rotineira. Armazenar arquivos em um único servidor permite maior acessibilidade e espaço em disco. Em uma rede de computadores, a velocidade com que os dados circulam na rede é muito importante e dependem de como os microcomputadores estão ligados e de como os dados trafegam pela rede. A disposição dos computadores na rede é chamada de topologia. 2. Topologias A topologia de rede indica a maneira com que os computadores estão conectados. As topologias são divididas em físicas e lógicas. A topologia física é a maneira como os cabos conectam fisicamente os micros. A topologia lógica é a maneira como os sinais trafegam através dos cabos e placas de rede [2] [3]. 2.1 Topologia física Barramento (linear) Na topologia linear, todas as estações compartilham um mesmo cabo. Essa topologia utiliza cabo coaxial, que deverá possuir um terminador resistivo em cada ponta, conforme ilustra a Figura 1. O tamanho máximo do trecho da rede está limitado ao limite do cabo, 185 metros no 3

4 caso do cabo coaxial fino. Este limite, entretanto, pode ser aumentado através de um periférico chamado repetidor, que na verdade é um amplificador de sinais [1] [2]. 4 Figura 1 - Topologia Linear [1] Como todas as estações compartilham um mesmo cabo, somente uma transação pode ser efetuada por vez, isto é, não há como mais de um micro transmitir dados por vez. Quando mais de uma estação tenta utilizar o cabo, há uma colisão de dados. Quando isto ocorre, a placa de rede espera um período aleatório de tempo até tentar transmitir o dado novamente. Caso ocorra uma nova colisão a placa de rede espera mais um pouco, até conseguir um espaço de tempo para conseguir transmitir o seu pacote de dados para a estação receptora [1] [2]. A conseqüência direta desse problema é a velocidade de transmissão. Quanto mais estações forem conectadas ao cabo, mais lenta será a rede, já que haverá um maior número de colisões [1] [2]. Outro grande problema na utilização da topologia linear é a instabilidade, pois os terminadores são conectados às extremidades do cabo e são indispensáveis. Caso o cabo se desconecte em algum ponto, a rede "sai do ar", impedindo que comunicações sejam efetuadas. Como o cabo coaxial é vítima de problemas constantes de mau-contato, esse é um prato cheio para a rede deixar de funcionar sem mais nem menos, principalmente em ambientes de trabalho tumultuados [1] [4] [5]. E, por fim, outro sério problema em relação a esse tipo de rede é a segurança. Na transmissão de um pacote de dados todas as estações recebem esse pacote. No pacote, além dos dados, há um campo de identificação de endereço, contendo o número de nó de destino. Desta forma, somente a placa de rede da estação de destino captura o pacote de dados do cabo, pois está a ela endereçada [1] [4] [5]. 2.2 Topologia física Estrela Esta é a topologia mais recomendada atualmente. Nela, todas as estações são conectadas a um periférico concentrador (hub ou switch), como ilustra a Figura 2 [1] [6] [7]. Figura 2 - Topologia Estrela [1]

5 Ao contrário da topologia linear onde a rede inteira parava quando um trecho do cabo se rompia, na topologia em estrela apenas a estação conectada pelo cabo pára. Além disso, temos a grande vantagem de podermos aumentar o tamanho da rede sem a necessidade de pará-la. Na topologia linear, quando queremos aumentar o tamanho do cabo necessariamente devemos parar a rede, já que este procedimento envolve a remoção do terminador resistivo [1] [6] [7]. Importante notar que o funcionamento da topologia em estrela depende do periférico concentrador utilizado, se for um hub ou um switch [1] [7]. No caso da utilização de um hub, a topologia fisicamente será em estrela (como na Figura 2), porém, logicamente ela continua sendo uma rede de topologia linear. O hub é um periférico que repete para todas as suas portas os pacotes que chegam, assim como ocorre na topologia linear. Em outras palavras, se a estação 1 enviar um pacote de dados para a estação 2, todas as demais estações recebem esse mesmo pacote. Portanto, continua havendo problemas de colisão e disputa para ver qual estação utilizará o meio físico [1] [7]. Já no caso da utilização de um switch, a rede será tanto fisicamente quanto logicamente em estrela. Este periférico tem a capacidade de analisar o cabeçalho de endereçamento dos pacotes de dados, enviando os dados diretamente ao destino, sem replicá-lo desnecessariamente para todas as suas portas. Desta forma, se a estação 1 enviar um pacote de dados para a estação 2, somente esta recebe o pacote de dados. Isso faz com que a rede torne-se mais segura e muito mais rápida, pois praticamente elimina problemas de colisão. Além disso, duas ou mais transmissões podem ser efetuadas simultaneamente, desde que tenham origem e destinos diferentes, o que não é possível quando utilizamos topologia linear ou topologia em estrela com hub [1] [7]. 2.3 Topologia física anel Uma rede em anel consiste de estações conectadas através de um caminho fechado. Esse tipo de rede é capaz de transmitir e receber dados em qualquer direção. As configurações mais usuais são unidirecionais, de forma a tornar menos sofisticado os protocolos de comunicação que asseguram a entrada da mensagem corretamente e em seqüência ao destino [1] [8]. 5 Figura 3 -Topologia em Anel [1] Quando uma mensagem é enviada por um nó, esta entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino, ou então até voltar ao nó fonte, dependendo do protocolo empregado [1] [8]. Os maiores problemas de tipo de topologia são relativos a sua pouca tolerância à falhas. Qualquer que seja o controle de acesso empregado, ele pode ser perdido por problemas de falha e pode ser difícil determinar com certeza se este controle foi perdido ou decidir qual nó deve recriá-lo [1] [8].

6 Esta configuração requer que cada nó seja capaz de remover seletivamente mensagens da rede ou passá-las adiante para o próximo nó. Nas redes unidirecionais, se uma linha entre dois nodos cair, todo sistema sai do ar até que o problema seja resolvido. Se a rede for bidirecional, nenhum nó ficará inacessível, já que este poderá ser atingido pelo outro lado [1] [8]. 2.4 Topologia lógica Ethernet Em uma rede Ethernet, temos uma topologia lógica de barramento. Isto significa que quando uma estação precisar transmitir dados, ela irradiará o sinal para toda a rede. Todas as demais estações ouvirão a transmissão, mas apenas a placa de rede que tiver o endereço indicado no pacote de dados receberá os dados. As demais estações simplesmente ignorarão a transmissão [10] [11] [12] [13]. Como apenas uma estação pode falar de cada vez, antes de transmitir dados a estação irá ouvir o cabo. Se perceber que nenhuma estação está transmitindo, enviará seu pacote, caso contrário, esperará até que o cabo esteja livre [10] [13]. Quando dois pacotes são enviados ao mesmo tempo ocorre uma colisão. Essa colisão gera um sinal elétrico mais forte, que pode ser facilmente percebido pelas placas de rede. A primeira estação que perceber esta colisão irradiará para toda a rede um sinal especial de alta freqüência que cancelará todos os outros sinais que estejam trafegando através do cabo e alertará as demais placas que ocorreu uma colisão. Sendo avisadas de que a colisão ocorreu, as duas placas faladoras esperarão um número aleatório de milissegundos antes de tentarem transmitir novamente. Apesar de não causarem perda ou corrupção dos dados, as colisões causam uma grande perda de tempo, resultando na diminuição do desempenho da rede [10] [13]. Todos os dados transmitidos através da rede são divididos em pacotes (cada pacote pode ter até 1550 bytes de dados). A estação emissora escuta o cabo, transmite um pacote, escuta o cabo novamente, transmite outro pacote e assim por diante. A estação receptora vai juntando os pacotes até ter o arquivo completo [10] [13]. O uso de pacotes evita que uma única estação monopolize a rede por muito tempo, e torna mais fácil a correção de erros. Se por acaso um pacote chegar corrompido, devido a interferências no cabo, ou qualquer outro motivo, será solicitada uma retransmissão do pacote. Quanto pior for a qualidade do cabo e maior for o nível de interferências, mais pacotes chegarão corrompidos e pior será o desempenho da rede [10] [13]. 2.5 Topologia lógica Token Ring As redes Token Ring utilizam uma topologia lógica de anel. Apesar de estarem fisicamente conectadas a um hub, as estações agem como se estivessem em um grande anel. Um pacote especial chamado pacote de Token circula pela rede, sendo transmitido de estação para estação. Quando uma estação precisa transmitir dados, ela espera até que o pacote de Token chegue e, em seguida, começa a transmitir seus dados [13] [14] [16]. A transmissão de dados em redes Token Ring também é diferente. Ao invés de serem irradiados para toda a rede, os pacotes são transmitidos de estação para estação (daí a topologia lógica de anel). A primeira estação transmite para a segunda, que transmite para a terceira, etc. Quando os dados chegam à estação de destino, ela faz uma cópia dos dados para si, porém, continua a transmissão dos dados. A estação emissora continuará enviando pacotes, até que o primeiro pacote enviado dê uma volta completa no anel lógico e volte a para ela. Quando isto 6

7 acontece, a estação pára de transmitir e envia o pacote de Token, voltando a transmitir apenas quando receber novamente o Token [13] [14] [16]. 2.6 Topologia lógica Arcnet Pode ter topologia barramento ou estrela. O funcionamento lógico de uma rede Arcnet também se baseia num pacote de Token, a diferença é que ao invés do pacote ficar circulando pela rede, é eleita uma estação controladora da rede, que envia o pacote de Token para uma estação de cada vez [16] [17]. Não há nenhum motivo especial para uma estação ser escolhida como controladora, geralmente é escolhida a estação com o endereço de nó formado por um número mais baixo. Apesar de obsoletas, muitos dos conceitos usados nas redes Arcnet foram usados para estabelecer os padrões atuais de rede [16] [17]. 2.7 Wireless Wireless é uma tecnologia de redes sem fio e já é uma realidade em vários ambientes de redes, principalmente nos que requerem mobilidade dos usuários. As redes locais sem fio (WLANs) constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível, de fácil configuração e com boa conectividade em áreas prediais ou de campus. Dependendo da tecnologia utilizada, rádio freqüência ou infravermelho, e do receptor, as rede WLANs podem atingir distâncias de até 18 metros [19]. Num ambiente típico, como o mostrado na Figura 1, o dispositivo transceptor (transmissor/receptor) ou ponto de acesso (access point) é conectado a uma rede local Ethernet convencional (com fio). Os pontos de acesso não apenas fornecem a comunicação com a rede convencional, como também intermediam o tráfego com os pontos de acesso vizinhos, num esquema de micro células com roaming semelhante a um sistema de telefonia celular [19] [21]. 7 Figura 04 Rede Wireless

8 Flexibilidade e mobilidade para mover computadores e laptops em qualquer lugar em um escritório, entre escritórios, ambientes de campi ou em áreas onde as convencionais redes LANs cabeadas não pode ser usadas, são recursos oferecidos pelo mundo móvel, que oferece a constante interligação do usuário ao seu ambiente de trabalho. É possível utilizar redes sem fio em lugares fisicamente impossíveis de se ter uma rede cabeada. Adaptável a qualquer mudança, a Wireless tornou-se uma tendência mundial [20]. A figura 05 exibe o esquema de um provedor Wireless, irradiando sinal para condomínios e residências. 8 Figura 05 Exemplo de um provedor Wireless [20] 3. Cabeamento "Cabo é cabo, não é mesmo?", Um Novato perguntava. "Não", Willy respondia pacientemente. "Você não pode simplesmente ignorar as leis da física. Segundo estas leis, há muitas diferenças entre cabos deste tipo, por causa dos condutores, do tipo de isolamento entre eles, de sua organização dentro da tubulação, de sua capacidade de neutralizar o ruído externo". Derfley, J.F. e Freed, L.- Tudo sobre Cabeamento de Redes [24]. Em um projeto de redes, vários fatores devem ser levados em consideração, desde os aplicativos necessários às exigências dos usuários, passando pela demanda de recursos que estes aplicativos consumirão até o tipo de cabeamento e infra-estrutura que serão utilizados. Um conhecimento dos padrões de cabeamento é absolutamente crucial quando se está na fase de projeto. Arquiteturas estruturadas como os sistemas básicos de distribuição e as diretrizes ditadas pelas normas e padrões de cabeamento sempre oferecem garantias para que o projetista possa escolher adequadamente os componentes de infra-estrutura visando à perfeita implantação da rede [22] [23]. O projeto de cabeamento não envolve somente considerações sobre taxas de transmissão e largura de banda, mas também facilidade de instalação, imunidade a ruídos, limites de emissão eletromagnética, qualidade (atenuação do sinal versus comprimento máximo), confiabilidade,

9 conformidade às exigências geográficas, conformidade aos padrões internacionais, disponibilidade de componentes e custo total [25]. Em comparação com os outros investimentos que se fará a fim de implantar um determinado projeto de redes, o cabeamento será o que terá a maior duração. Os softwares costumam passar por uma evolução a cada dois ou três anos e, de acordo com pesquisas, o hardware tem uma vida útil de 5 anos; no entanto, terá que se conviver 15 anos ou mais com seu cabeamento de rede. O investimento feito em um sistema de cabeamento irá pagar dividendos durante anos, mas o nível de retorno dependerá do cuidado com o qual se selecionam os componentes e se supervisiona a instalação dos cabos [24]. O cabeamento é o componente de menor custo de uma rede local. Quando bem estruturado pode representar de 5 a 7% do custo total da rede [26]. Os preços variam muito de acordo com o tipo de cabeamento utilizado. Com isto, é de vital importância determinar corretamente o tipo de cabeamento que interconectará os vários elementos integrantes de uma rede. O cabo coaxial, o par traçado e a fibra óptica são os cabeamentos mais utilizados nas redes de computadores [23]. Logo abaixo, o par trançado e o cabo coaxial são brevemente destacados, porém, a fibra óptica possui maior ênfase, principalmente a física que envolve tal cabo. 3.1 Cabo coaxial O primeiro tipo de cabeamento que surgiu no mercado foi o cabo coaxial. Há alguns anos, esse cabo era o que havia de mais avançado, sendo que a troca de dados entre dois computadores era coisa do futuro. Até hoje existem vários tipos de cabos coaxiais, cada um com suas características específicas. Alguns são melhores para transmissão em alta freqüência, outros têm atenuação mais baixa, e outros são imunes a ruídos e interferências [27] [28]. Esse tipo de cabo é constituído de quatro camadas e sua composição pode ser verificada através da figura 06: um condutor interno, o fio de cobre que transmite os dados, uma camada isolante de plástico, chamada de dielétrico que envolve o cabo interno, uma malha de metal que protege as duas camadas internas e, finalmente, uma nova camada de revestimento, chamada de jaqueta. Se você envolver um fio condutor com uma segunda camada de material condutor, a camada externa protegerá a primeira da interferência externa. Devido a esta blindagem, os cabos coaxiais (apesar de ligeiramente mais caros que os de par trançado) podem transmitir dados a distâncias maiores, sem que haja degradação do sinal [27] [28] [29]. 9 Figura 06 - Cabo coaxial [29] Os cabos coaxiais de alta qualidade não são maleáveis e são difíceis de instalar e os cabos de baixa qualidade podem ser inadequados para trafegar dados em alta velocidade e longas distâncias [27] [28] [29]. Este tipo de cabo é muito popular em TV a cabo, cabos submarinos e redes locais. Suportam taxas de transmissão mais altas que o par trançado para uma mesma distância (alcança, tipicamente, 10 Mbps em distâncias da ordem de 1 km), possui boa imunidade a ruído, custo por comprimento maior que o do par trançado e menor maleabilidade que o par trançado [29].

10 3.2 Par trançado O cabo de par trançado vem substituindo os cabos coaxiais desde o início da década de 90. Hoje em dia é muito raro alguém ainda utilizar cabos coaxiais em novas instalações de rede, o mais comum é apenas reparar ou expandir redes que já existem [30] [31]. Enquanto os cabos coaxiais usam uma malha de metal que protege os dados do cabo contra interferências externas, os cabos de par trançado usam um tipo de proteção mais sutil, onde o entrelaçamento dos cabos cria um campo eletromagnético que oferece uma razoável proteção contra interferências externas. Esse tipo de cabo tornou-se muito usado devido à falta de flexibilidade de outros cabos e por causa da necessidade de se ter um meio físico que conseguisse uma taxa de transmissão alta e mais rápida [30] [31]. Contudo, o cabo de par trançado é constituído de dois fios que são enrolados em espiral de forma a reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio, assim como é exibido na figura 07 [29]. O nome par trançado é muito conveniente, pois estes cabos são constituídos justamente por quatro pares de cabos entrelaçados, a figura 08 demonstra esse entrelaçamento [30] [31]. 10 Figura 07 Par trançado [29] Figura 08 Quatro pares de fios entrelaçados [30] Os cabos par trançado podem ser blindados (STP - Shielded Twisted Pair ) ou não blindados (UTP - Unshielded Twisted Pair ). No STP cada par é envolvido por uma blindagem (malha metálica) que lhe confere uma maior imunidade a ruído do que os cabos UTP, porém, agrupados em cabos de vários pares UTP, os cabos telefônicos são o meio mais utilizado ainda hoje para a transmissão de voz e dados [29]. Os cabos em questão podem variar em relação a diversas características: calibre do fio, isolante, cobertura, capacidade de pares. Essas características podem classificar o tipo de cabo em: categoria 1, 2, 3, 4, 5, 5e, 6 e até 7. Tipicamente, os cabos de categoria 3 são usados em

11 redes com taxas de até 10 Mbps, os de categoria 4 com taxas de até 16 Mbps e de categoria 5 com taxas de até 100 Mbps [29]. Os cabos a partir da categoria 5 (CAT5) possuem vantagem em relação as categorias anteriores, pelo fato de poderem ser usados tanto em redes de 100 megabits, quanto em redes de 1 gigabit. Os cabos da categoria 5e (CAT5e) são os mais comuns atualmente, com uma qualidade um pouco superior aos CAT5. Eles oferecem uma taxa de atenuação de sinal mais baixa, o que ajuda em cabos mais longos, perto dos 100m permitidos. Estão disponíveis tanto cabos blindados, quantos cabos sem blindagem (mais baratos e comuns) [32] [33]. Os cabos da categoria 6 (CAT6) utilizam cabos de 4 pares, semelhantes aos cabos de categoria 5 e 5e. O objetivo deste padrão é usá-lo (assim como os 5e) nas redes Gigabit Ethernet. Já existem cabos de Categoria 7 (CAT7), esses cabos também utilizam 4 pares de fios, porém usam conectores mais sofisticados e são muito mais caros. Tanto a freqüência máxima suportada, quanto a atenuação de sinal são melhores do que nos cabos categoria 6. Está em desenvolvimento um padrão de 10 Gigabit Ethernet que utilizará cabos de categoria 6 e 7 [32] [33]. O Gigabit Ethernet é um padrão que foi criado para aumentar o desempenho de redes locais baseadas nos protocolos Ethernet (10 Mbps) e Fast Ethernet (100 Mbps). Este novo padrão deu origem à tecnologia 1000 Mbps, ou seja, a rede de 1 Gbps. A comunicação no padrão Gigabit Ethernet pode ser feita seguindo dois padrões: O 1000Base-T e o 1000Base-TX. Nesse caso, a rede pode operar tanto no modo full-duplex (CAT6), onde os 2 lados podem transmitir dados simultaneamente nos pares, quanto no modo half-duplex (CAT 5e), sendo dois pares para transmissão e dois para recepção [29] [32] [33]. A tecnologia Gigabit pode ser utilizada, objetivando solucionar problemas de congestionamento (gargalos) em todos os tipos de backbones, nos provedores de internet, em redes corporativas e em redes de usuários que necessitam de grande largura de banda para uso de multimídia e outras aplicações. Devido a seu preço ser elevado em comparação ao de seus antecessores, essa tecnologia é atualmente somente aplicada em redes grandes, que necessitem de grande quantidade de banda e, é claro, que possam pagar pela migração. Usuários domiciliares nem necessitam de tanta banda assim para a transmissão de dados via rede, sendo na maioria das vezes satisfeita com uma rede de 100 Mbps [32] [33]. 4. Física das redes computacionais de fibra óptica Ao contrário dos cabos coaxiais e de par trançado, que nada mais são do que fios de cobre que transportam sinais elétricos, as fibras ópticas são cabos feitos de plástico e fibra de vidro (ao invés de metal) que transmitem luz, não havendo necessidade de se preocupar com aterramento e problemas de interface de equipamento (pois o material usado age como um isolador elétrico vidro e plástico) [34] [39] [40]. Os cabos de fibra óptica permitem transmissões de dados a velocidades muito maiores e são completamente imunes a qualquer tipo de interferência eletromagnética, porém, são muito mais caros e difíceis de instalar, demandando equipamentos mais caros e mão de obra mais especializada. Apesar da alta velocidade de transferência, as fibras ainda não são uma boa opção para pequenas redes devido ao custo [34]. Devido ao seu elevado custo, os cabos de fibras ópticas são usados apenas quando é necessário atingir grandes distâncias em redes que permitem segmentos de até 1 KM, enquanto 11

12 alguns tipos de cabos especiais podem conservar o sinal por até 5 KM (distâncias maiores são obtidas usando repetidores). Mesmo permitindo distâncias tão grandes, os cabos de fibra óptica permitem taxas de transferências de até 155 mbps, sendo especialmente úteis em ambientes que demandam uma grande transferência de dados e com baixa perda de transmissão (diminuindo o número de fios e repetidores, ou seja, nestes casos, menor custo e complexidade) [34] [39] [40]. Como não soltam faíscas, os cabos de fibra óptica são mais seguros em ambientes onde existe perigo de incêndio ou explosões. E para completar, o sinal transmitido através dos cabos de fibra é mais difícil de interceptar (mais seguros para transmissões sigilosas), pois nenhum sinal elétrico é transportado pelos cabos de fibras óticas, resultando na impossibilidade de roubo dos dados e na impossibilidade de escuta do cabo [34] [36]. Outra vantagem no uso de deste tipo de cabo é seu tamanho pequeno e seu baixo peso, pois a enorme redução do tamanho dos cabos, provida pelas fibras ópticas, permite avaliar o problema de espaço e de congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais (ideal para aviões, navios e satélites). Os cabos ópticos também oferecem vantagens quanto ao armazenamento, transporte, manuseio e instalação em relação aos cabos metálicos de resistência e durabilidade equivalentes [39] [40]. Uma desvantagem é a impossibilidade de alimentação remota de repetidores, pois os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível à alimentação remota através do próprio meio de transmissão [39] [40]. 4.1 Composição do cabo de fibra óptica A figura 09 demonstra a composição de uma fibra ótica que é constituída de material dielétrico, em geral, sílica ou plástico (materiais abundantes na natureza), em forma cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central (um cilindro de vidro extremamente fino) chamado de núcleo ou core, envolta por uma camada, também de material dielétrico (outro cilindro de vidro), chamada casca ou cladding. No núcleo trafega a informação, enquanto a casca confina o raio de luz de modo que ele fique dentro do núcleo. Uma ou várias camadas de material amortecedor de impacto e resistente à tensão mecânica (buffer) podem também estar presentes, para proteger fisicamente a fibra e evitar interferências externas [34] [36] [37] [38] [39] [40]. 12 Figura 09 Fibra óptica [34] A composição da casca da fibra óptica com material de índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo oferece condições à propagação de energia luminosa (freqüências ópticas) através do núcleo da fibra óptica. Com isso, o mecanismo básico de transmissão da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de reflexão interna total que ocorre quando o feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso [34].

13 4.2 Reflexão O estudo dos tipos de reflexão é fundamental para entender o princípio de funcionamento das fibras ópticas. Quando uma pessoa se vê diante de um espelho, ela enxerga a sua imagem e demais objetos por reflexão [44] [45]. A reflexão da luz é um dos fenômenos mais comuns envolvendo a propagação da luz. A reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. A reflexibilidade é a tendência dos raios de voltarem para o mesmo meio de onde vieram. A reflexão pode ser classificada em reflexão espetacular e difusa [45] [46] Reflexão espetacular Ao ficar em frente do espelho, uma pessoa pode observar que, se não ficar em uma determinada posição, não vai conseguir enxergar a sua imagem. Isso acontece porque os raios são refletidos em uma única direção, ou seja, eles são paralelos entre si. A figura 10 demonstra como os raios são refletidos [45] [47] [48]. 13 Figura 10 Reflexão espetacular [45] Esse tipo de reflexão (regular) ocorre em superfícies polidas tais como espelhos, metais, a água parada de um lago, e é denominado reflexão especular. A figura 11 mostra um exemplo deste tipo de reflexão, onde uma imagem está sendo refletida na água parada de um lago [45] Reflexão difusa Figura 11 Reflexão espetacular nas águas paradas de um lago [45] Quando uma pessoa está enxergando uma mesa, ela pode ficar em qualquer posição ao redor da mesa que continua a enxergando. Isso acontece porque os raios estão sendo refletidos em todas as direções. Esse tipo de reflexão ocorre em superfícies irregulares (com rugosidades) microscopicamente e é denominada reflexão difusa. A figura 12 exibe como os raios são refletidos em uma superfície irregular [45] [46] [48].

14 14 Figura 12 Reflexão difusa [45] A grande maioria dos objetos reflete a luz de uma maneira difusa. Isso permite que uma pessoa veja um objeto de qualquer posição que ela esteja em relação a ele [46] Leis da reflexão Quando o raio de luz incidir sobre a superfície de separação entre dois meios, ela o fará num ponto P sobre a superfície. Por um ponto qualquer de uma superfície pode-se fazer passar uma reta que fura o plano e que é perpendicular a ele. Só existe uma tal reta (reta N, normal à superfície) [45] [62]. O ângulo formado pelo raio (i) incidente e a reta normal (N) é o ângulo de incidência (representado por î), isso pode ser observado através da figura 13 [45] [62]. Figura 13 Plano de incidência [62] O ângulo de reflexão (r) é o ângulo formado pelo raio refletido e a reta normal N [62]. A figura 14 mostra que o plano formado pelo raio incidente (ou a reta que o contém) e a reta normal, é o plano de incidência. Analogamente, o plano de reflexão é o plano que contém o raio refletido r e a reta normal N [62]. Figura 14 Plano de reflexão não refletido [62]

15 O fenômeno da reflexão é descrito por duas leis que seguem de inúmeras observações do fenômeno: [45] [62]. Primeira lei: O plano de incidência coincide com o plano de reflexão, ou seja, o raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície refletora pertencem a um mesmo plano (estão emitidos no mesmo plano) [45] [62]. Segunda lei: O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão [45] [62]. Essas duas leis, essencialmente empíricas, podem ser entendidas a partir da natureza corpuscular da luz. Através da figura 15, pode-se pensar na reflexão como resultado de colisão dos fótons com a superfície de separação entre dois meios. É algo parecido com a colisão de uma bola de tênis (ou outra bola) com uma parede. O fenômeno da colisão da bola com a parede obedece às mesmas leis da reflexão da luz (e vice-versa) [45] [62] Reflexão interna total Figura 15 Leis da reflexão [62] Para brilhar o feixe de luz de uma lanterna por um longo corredor, basta apontar o feixe diretamente ao longo do corredor, pois a luz viaja em linha reta, por isso, não há problema. Porém, se o corredor tiver uma curva, é necessário colocar um espelho na curva para refletir a luz para fora do canto em questão. Já, se o corredor for muito retorcido, com múltiplas curvas, é necessário alinhar espelhos nas paredes e obliquar o feixe de maneira a saltar de um lado para o outro, ao longo do corredor (é desta maneira que funciona o periscópio de um submarino). Isto é exatamente o que acontece nas fibras ópticas [41] [42] [43] [63]. As fibras ópticas, conhecidas também como tubos de luz, são finíssimas, constituídas de vidro transparente e com alto grau de pureza. Uma vidraça feita com esse vidro poderia ter até 1 km de espessura e ser perfeitamente transparente. A interface núcleo-revestimento funciona como um espelho, refletindo a luz continuamente, como pode ser observado na figura 16. A luz penetra numa das extremidades da fibra, passa por dentro dela e atinge a outra extremidade, mesmo que a fibra forme curvas. Não importa a distância, as fibras ópticas levam informações de uma parte à outra, quase instantaneamente, ou seja, à velocidade da luz [64]. Figura 16 Luz refletida continuamente em um cabo de fibra óptica [64]

16 Contudo, em um cabo de fibra óptica, a luz viaja através do núcleo (o corredor) refletindo constantemente na interface (as paredes revestidas de espelhos), o que representa um princípio chamado de reflexão interna total, que é demonstrado na figura 17. Como a interface não absorve nenhuma luz do núcleo, a onda de luz pode viajar grandes distâncias. Entretanto, uma parte do sinal luminoso se degrada dentro da fibra, principalmente em razão de impurezas contidas no vidro. A extensão da degradação do sinal luminoso depende da pureza do vidro e do comprimento de onda da luz transmitida. É importante ressaltar que o feixe de luz não entra de qualquer jeito na fibra, ele é enviado para a fibra num ângulo determinado para ocorrer à reflexão. Esse ângulo varia conforme o tipo de fibra [41] [42] [43] Refração Figura 17 Reflexão interna total em uma fibra óptica [43] Refração é a passagem da luz de um meio para outro. Neste caso, também há mudança de velocidade e pode haver mudança de direção. A velocidade da luz no vácuo é a maior que um objeto pode atingir. A expressão: c = n * v, calcula a velocidade da luz que é representada por c, em um meio natural qualquer a velocidade da luz nesse meio ( v ) é menor do que c, já n é o índice de refração do meio. O índice de refração no vácuo igual a 1, no ar é próximo a 1 e na água é 1,33. É importante salientar que os índices de refração de uma substância são extremamente sensíveis ao estado físico em que ele se encontra (sólido, líquido, vapor) [56] [57]. A refração possui duas leis, onde a primeira estabelece que o raio incidente, o refratado e a normal pertencem a um mesmo plano, a figura 18 demonstra essa lei [59]. Figura 18 - O plano de incidência e o plano da luz refratada coincidem [59]

17 Já a segunda lei estabelece uma relação entre o ângulo de incidência de refração e ângulo de incidência dos índices de refração do meio (Lei de Snell-Descartes), essa lei pode ser observada através da figura 19 [58] [59]. 17 Figura 19 - Numa refração, o produto do índice de refração do meio no qual ele se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz com a normal é constante [19]. Quando a incidência for normal, ou melhor, ângulo de incidência for zero, o ângulo refratado é nulo, nesse caso a luz não sofre qualquer desvio. Quando a incidência for oblíqua, o raio luminoso se aproximaria mais da normal naquele meio aquele meio que tiver o maior índice de refração. Já, o meio com menor índice de refração é aquele em que a luz se propaga mais rápido [59]. Quando um meio possui um índice de refração maior que o meio em que a luz incide, o ângulo de refração atinge o seu limite de refração. A lei de Snell-Descartes pode ser usada para determinar o ângulo limite e incidência (maior valor possível é 90º, com o ângulo limite de incidência ) [59]. A refração altera a forma como nossos sentidos percebem os objetos, como pode ser observado através da figura 20, onde o efeito de refração muda a nossa percepção em relação a colher dentro do copo de água, fazendo com que ela fique com aparência de torta. Figura 20 Colher dentro de um copo com água

18 Contudo, se a luz incidir num ângulo superior ao limite, ocorre o que é a denominada de reflexão total, ou seja, a luz retorna para o meio do qual ela se originou, não ocorrendo refração. Portanto, quando o ângulo é menor que o ângulo crítico (limite), a luz se reflete e se transmite, ao mesmo tempo. Porém, quando o ângulo é maior que o ângulo crítico, toda a luz se reflete (reflexão total) A figura 21 exibe o efeito da reflexão total [60] [61]. Quanto maior o índice de refração do meio de onde sai à luz, menor o ângulo crítico. Portanto, maior a chance de haver reflexão total. 18 Figura 21 Reflexão total na água com pó de giz Quando a luz passa de um meio para outro, como do ar para a água, ela sofre uma determinada refração, que provoca um desvio em sua trajetória. Quando um destes meios é um cilindro de vidro, dependendo do ângulo de incidência da luz sobre uma das extremidades do cilindro, podem ocorrer dois fenômenos: se o raio luminoso atinge a extremidade com uma inclinação muito grande, ao atravessar o meio de vidro sofre um desvio de trajetória e escapa ao primeiro contato com a parede oposta; contudo, se incide de uma posição próxima à do eixo do cilindro, ao atravessar o meio de vidro sofre também uma refração, mas não atravessa as paredes do cilindro - ao contrário, reflete-se nela, atinge a parede oposta e, assim, em ziguezagues sucessivos, vai sair pela outra extremidade do cilindro, experimentando apenas uma pequena redução em sua intensidade inicial [64]. Figura 22 - Refração

19 4.4 Tipos de fibra óptica Existem dois tipos de cabos de fibras óptica, chamados de cabos monomodo e multimodo, ou simplesmente de modo simples e modo múltiplo, tais tipos de fibra óptica podem ser visualizados através da figura 23. Enquanto o cabo de modo simples transmite apenas um sinal de luz, os cabos multimodo contêm vários sinais que se movem dentro do cabo. Porém, os cabos monomodo transmitem mais rápido do que os cabos multimodo, pois neles a luz viaja em linha reta, fazendo o caminho mais curto. Nos cabos multimodo o sinal viaja batendo continuamente nas paredes do cabo, tornando-se mais lento e perdendo a intensidade mais rapidamente. Os cabos monomodo são tipos de fibras ópticas com dimensões de núcleo muito pequenas, permitem a incidência de raios de luz em um único ângulo (sua fabricação requer equipamentos muito complexos) [30] [35] [65] [66]. 19 Figura 23 Tipos de cabos de fibra óptica [35] Os cabos de fibra óptica multimodo classificam-se em: Multimodo de Índice Degrau e Multimodo de Índice Gradual 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. Esse tipo de cabo apresenta apenas um nível de reflexão entre o núcleo e a casca e é demonstrado na figura 24 [65] [66]. Figura 24 Multimodo de Índice Degrau [65]

20 4.4.2 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, conseqüentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica. Este tipo de cabo apresenta vários níveis de reflexão entre o núcleo e a casca e é demonstrado na figura 25. [66] Fontes de luz Figura 25 Multimodo de Índice Gradual [65] Para sistemas de comunicação por fibra óptica existem no mercado vários dispositivos de conversão eletroóptico. Mas somente dois dispositivos, dentre os mais comuns até o presente momento, são realmente aplicados para transmissão por fibra óptica: o LED (Light Emition Diode) e o ILD (Injection Laser Diode), ambos semicondutores modulados diretamente pela variação da corrente de entrada, constituídos por arsenieto de gálio e alumínio (GaAIAs), fosfato de arsenieto de gálio e alumínio (GaAIAsP) ou fosfato de arsenieto de gálio e índio (GaInAsP) [66] LEDs - Light Emition Diode As fontes de luz mais comuns para os sistemas de comunicação por fibra óptica são os LEDs, porque emitem luz invisível próxima do infravermelho. Sua operação é como a operação básica de um diodo comum. Uma pequena tensão é aplicada entre seus terminais, fazendo uma pequena corrente fluir através da junção. Este diodo é formado por duas regiões de material semiciondutor, dopado com impurezas do tipo P e do tipo N. A região P é a que possui menos elétrons do que átomos, o que implica em lacunas onde há espaços para os elétrons na estrutura cristalina. Já a região N é caracterizada por apresentar mais elétrons livres do que lacunas [66]. O comprimento de onda emitido pelo LED depende dos níveis internos de energia do semicondutor. Os comprimentos de onda mais usados em aplicações de fibra óptica são de 820 e 850 nm. Em temperatura ambiente, a largura de banda típica de 3dB de um LED de 820 nm é de 40 nm, aproximadamente. A potência de luz de um LED é, aproximadamente, proporcional à injeção de corrente, devido a algumas recombinações entre elétrons e lacunas que não produzam fótons. O LED não é 100% eficiente [66]. Existem dois tipos de LED mais utilizados em sistemas de comunicação por fibras ópticas: emissores de borda e emissores de superfície, sendo que os emissores de superfície são mais comumente utilizados, porque oferecem melhor emissão de luz. Mas as perdas de

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