PRÁTICA DE CABEAMENTO ESTRUTURADO Professor: Cristiano Assis. Tecnologia Óptica

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1 Tecnologia Óptica Os pares trançados são ainda o principal meio utilizado para implantação de sistemas de cabeamento de prédios, porém as fibras ópticas são claramente superiores em nível de performance e sendo mais adequadas para algumas aplicações. Sabemos que cada uma das categorias de cabos trançados existentes no mercado, suportam até 100m de comprimento. Uma fibra óptica comum para aplicações de cabeamento suporta a aplicação de muitas centenas de MHz a distâncias que podem chegar a metros. A realidade do debate sobre utilização de fibras ou cobre, deve-se ao fato do cobre ser uma tecnologia mais conhecida e difundida, embora a fibra apresente uma performance superior e esteja apresentando preços competitivos para as principais aplicações. Histórico O termo Fibra Óptica foi empregado pela primeira vez em 1.956, pelo Dr. N. S. Kapany que fazia parte de uma equipe do Laboratório Bell (USA), composta por ele e pelos Doutores, A. L. Schawlow e C. H. Townes, quando apresentaram os planos para a construção do primeiro LASER, a ser usado em Sistemas de Telecomunicações O Dr. Elias Snitzer, da Americal Optical (USA), divulgou um trabalho explicando como seria a Fibra Óptica, embora naquela época, não se tivesse a tecnologia para fabricá-la Os Doutores Charles Kuen Kao e G. A. Hockham, do Laboratório da Standard Telecommunications ITT (UK), enviaram a British Association for the Advancement of Science uma especificação de requisitos necessários para uma que Fibra Óptica pudesse ser usada como um guia de ondas em Redes de Telecomunicações de Longa Distancia, ao invés de cabos metálicos. Nesta especificação, para que uma Fibra Óptica pudesse ser usada com êxito, a perda ou atenuação da luz que se propagava, devia ser no mínimo da ordem de 20 db por km (decibéis por kilometro). Nesta época as perdas nas Fibras Ópticas então disponíveis, eram da ordem de db / km. Os Drs. Kao e Hockham também preconizaram a necessidade de se ter um vidro de altíssima pureza na fabricação da Fibra Óptica como forma de reduzir as perdas ou atenuação da luz propagante Uma equipe da Corning Glass Works (USA), constituída por Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, conseguiu atender a especificação de requisitos apresentada pelos Drs. Kao e Hockham; fabricando uma Fibra Óptica com atenuação da ordem de 20 db por km e a patentearam (Patent # ) chamando-a de Guia de Fibra Óptica (Optical Waveguide Fiber) A Corning já conseguia fabricar, em pequena escala, para testes em laboratório, Fibras Ópticas com atenuações da ordem de 4 db por km. Hoje em dia as atenuações das Fibras Ópticas, dependendo dos comprimentos de onda utilizados, situam-se entre 0,2 e 0,4 db por km Com este desenvolvimento, tornaram-se possíveis Sistemas de Telecomunicações Ópticos e assim em foi instalado para a Polícia de Dorset, na Inglaterra, o primeiro link de Fibra Óptica, operando comercialmente. A escolha de um link de Fibra Óptica deveu-se ao fato que um raio tinha anteriormente danificado todo o Sistema de Telecomunicações do Departamento Policial e pesou na escolha deste sistema o fato de que a Fibra Óptica é imune a descargas elétricas e interferências elétricas. Neste mesmo ano o Governo Americano interligou com Fibras Ópticas a Rede Local do Sistema NORAD (Sistema de Defesa) localizados no interior da Montanha Cheyenne Foi implantado pela Western Electric em Atlanta, um link de Fibra Óptica com extensão de 2,5 km, para voz, dados e imagens, á uma taxa de 44,7 Mb/s (Megabits por segundo). 1

2 1977 Foi instalado pela Bell, no centro de Chicago, utilizando um cabo multifibras, a primeira Rede Óptica de uma Empresa de Telecomunicações. Tinha a capacidade de transportar 54 Mb/s e a distância entre os Centros Telefônicos era de 2,6 km. Neste mesmo ano foi instalado pela General Telephone and Electronics um Sistema Óptico de 6 Mb/s em Long Beach, Califórnia O Sistema Bell inaugura em 1980 a primeira Rede Óptica Nacional, interligando a Capital Washington á cidade de Cambridge, no estado de Massachusetts Em Dezembro de 1.988, foi inaugurada a primeira Rede Óptica Internacional, pelo lançamento do Cabo Óptico Submarino TAT 8, usando Laser de 1,3 micrômetros em Fibra Monomodo No início de 1.991, a NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) no Japão, demonstrou a transmissão de Solitons, através de um milhão de kilometros de Fibra Óptica Mais de trinta anos se passaram, desde a fabricação da primeira Fibra Óptica, e hoje mais de 80 % de todo tráfego do mundo, é escoado através de Fibras Ópticas, sendo a sua utilização cada vez maior. Revisão de Alguns Conceitos de Comunicação Ondas e Ondas eletromagnéticas Na maioria dos sistemas de comunicação existentes, o sinal que se propaga no meio físico é composto de ondas, ou seja, o papel do transmissor é transformar a mensagem em ondas e do receptor é fazer o inverso. Essas ondas podem ter características completamente diferentes. Por exemplo: quando duas pessoas conversam, elas emitem uma onda sonora (mecânica necessita de um meio para se propagar) que são simplesmente vibrações que propagam-se no ar. Já as ondas de rádio ou a luz (transmitida em fibras) são ondas eletromagnéticas. Ondas eletromagnéticas têm características físicas totalmente diferente das ondas sonoras; elas são variações nos campos elétricos e magnéticos (energia) e se propagam no ar, no vácuo, em qualquer meio condutor. Sistemas ópticos de comunicação são sistemas em que as mensagens são convertidas em sinais luminosos e são transmitidas em fibras ópticas. No entanto, as fibras ópticas não são eficientes na transmissão de qualquer tipo de luz. As fibras plásticas podem operar na faixa 650nm, região de luz infravermelha. Para outras fibras, a luz deverá ter freqüências maiores que a luz visível começando a partir de 850nm. Por essa razão, dependendo da fibra há freqüências maiores que a luz visível começando a partir de 850nm. Por essa razão dependendo da fibra há freqüências em que a transmissão do sinal é mais efetiva. As ondas eletromagnéticas são conhecidas por nomes familiares, como raios-x, microondas, ondas de rádio AM, FM, ondas de TV, infravermelho, luz visível, etc. O que caracteriza cada tipo de onda eletromagnética é sua freqüência. 2

3 Freqüência e Comprimento de Onda Apesar das ondas poderem ter características físicas completamente distintas, elas são regidas por algumas regras comuns. Além da freqüência as ondas também são caracterizadas por outros parâmetros. Velocidade da onda (v) Comprimento da onda (λ) Freqüência da onda (f) Amplitude da onda (A) Sendo esta última diretamente relacionada à potência do sinal. A velocidade com que a onda se propaga (v) varia de acordo com o meio de transmissão. No vácuo, a velocidade de propagação de qualquer onda eletromagnética, seja ela uma onda de rádio ou um feixe de luz, é constante e igual a km/s (3x10 8 m/s). A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar é muito próxima a do vácuo, e normalmente é considerada a mesma: km/s. A relação entre c, λ e f é simples: o comprimento de onda é a relação entre a velocidade da luz no vácuo e a freqüência. λ = c / f Onde: λ = comprimento de onda em µm (10-6 m) c = velocidade da luz no vácuo = 3x10 8 m/s f = freqüência 3

4 Exemplo: Um feixe de luz se propaga no vácuo com comprimento de onda de 800nm. Determine a freqüência da onda. f = c / λ = 3 x 10 8 / 800x10-9 = 3,75 x = 375 THz A luz que conseguimos enxergar está na faixa de freqüências de 150 THz a 250 THz que corresponde a comprimentos de onda de 400nm a 650nm. Tecnologia Óptica Aplicada aos Sistemas de Comunicação Vantagens da Fibra Normalmente as fibras oferecem mais banda passante do que necessário para as aplicações atuais. As fibras comuns utilizadas em sistemas de cabeamento (multimodo, 62,5/125µm) têm uma largura de banda mínima de 160MHz/km - 850nm ou 500MHz/km nm. Isso significa que a largura de banda a 100m é superior a 1 GHz. Como comparação, cabos categoria 5e suportam por volta de 100 MHz sobre os mesmos 100m. As fibras ópticas oferecem baixa perda de potência, o que significa que possibilitam maiores distâncias de transmissão. Mais uma vez a comparação com o cobre é importante: numa rede de dados, o limite recomendado para os links de cobre é de 100m, ao passo que com fibras é de 3.000m. Uma das principais desvantagens do cabo de cobre é que as perdas aumentam com freqüência do sinal. Isso significa que altas taxas de transmissão tendem a aumentar as perdas de potência e diminuir as distâncias de transmissão. Já nas fibras ópticas, as perdas não mudam com a taxa do sinal, variando apenas com o comprimento de onda de operação. Algumas estimativas mostram que 60% das causas de falhas em redes de computadores baseadas em cabos de cobre são causadas por problemas de cabeamento como crosstalk, descasamentos de impedância e susceptibilidade a ruídos eletromagnéticos. Devido a esses fatores a instalação dos cabos trançados deve ser realizada de forma cautelosa. Construídas com material dielétrico (não condutor de eletricidade), as fibras são portanto imunes a interferências eletromagnéticas. Elas não causam crosstalk, que é um grande limitante na tecnologia de cabos de cobre, e podem ser utilizadas em ambientes de alta exposição eletromagnética como 4

5 fábricas, próximas às linhas de transmissão elétrica e locais com alta probabilidade de incidência de raios. Dessa forma, a fibra não conduz eletricidade e não é suscetível a problemas que podem gerar centelhas. Além disso, tem um grau de imunidade ao fogo similar aos cabos metálicos a atendem a padrões internacionais, inclusive para utilização interna. As fibras oferecem maior largura de banda sobre distâncias maiores, e são imunes a interferência eletromagnética. Por serem mais leves e menores, a instalação dos cabos ópticos é simples e fácil, em especial em espaços restritos. Por isso, verifica-se que as Fibras ópticas propiciam um meio de transmissão mais seguro que o cabo de cobre. Fibras Ópticas Principio de Funcionamento Comunicação óptica é uma tecnologia na qual os sinais elétricos são convertidos em sinais ópticos (de luz) transmitidos por uma fina fibra de vidro e reconvertidos em sinais elétricos no destino. A fibra que serve para a transmissão do sinal óptico da origem até o destino, é mais fina do que um fio de cabelo e consiste de dois cilindros concêntricos: o núcleo, a casca, que têm propriedades ópticas diferentes. As fibras são revestidas por uma dupla camada de acrilato, que não tem função na propagação das ondas de luz, mas sim de proteção do conjunto núcleo-casca e identificação. As fibras são fabricadas por materiais dielétricos (não condutores de corrente elétrica), normalmente de sílica (vidro) ou plástico e são transparentes. A função do núcleo é guiar a onda de luz e a da casca é de fornecer condições para que este se propague a energia luminosa. O processo de guiamento da luz ao longo da fibra se baseia na condição de reflexão interna total. Ao chegar à interface entre o núcleo e a casca,a luz é refletida de volta e propaga-se em zig-zag ao longo da fibra. A luz fica portanto confinada ao núcleo. Princípios da propagação da luz Para a maioria dos propósitos práticos a luz viaja em linha reta (propagação retilínea) desde que em um meio uniforme, ou seja, homogêneo. O processo de propagação da luz em uma fibra óptica é explicado pela física. É possível demonstrar que quando um feixe de luz emerge de um meio mais denso (mais refringente) para o meio menos denso (menos refringente), o feixe luminoso pode ser totalmente refletido para o meio mais denso, dependendo do ângulo de incidência na interface desses meios. 5

6 Por essa razão o núcleo da fibra óptica tem sempre um índice de refração maior que o da casca. Dessa forma, o ângulo limite será menor, facilitando a ocorrência do fenômeno de reflexão total. Índice de Refração É definido como a relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio em questão. Onde: n =C / v n = índice de refração C= velocidade da luz no vácuo v=velocidade da luz no meio Meios dielétricos mais densos implicam em velocidades de propagação da luz menores e vice-versa. Sendo assim, meios mais densos terão maior índice de refração, pois de acordo com a relação acima o índice de refração e a velocidade da luz no meio são grandezas inversamente proporcionais. A tabela abaixo apresenta o índice de refração de diversos meios. Dielétrico n Dielétrico n Ar 1,00 Quartzo 1,46 Água 1,33 Vidro 1,5-1,9 Álcool 1,36 Diamante 2,42 Lei da Refração Se um raio de luz incide (Ri) de um meio com índice de refração n1, para outro meio com índice de refração n2, este raio será refratado (Rf), ou seja, mudará de direção de n1 for diferente de n2. A lei da Refração estabelece que: n1. sen i = n2. sen r Logo se aumentarmos o ângulo de incidência (i), aumentamos o ângulo de refração (r). O ângulo de incidência pode ser aumentado até que o ângulo de refração seja 90 e a luz tangencie a superfície de separação dos dois meios. 6

7 Conforme observamos na figura acima, se o meio 2 apresentar um índice de refração maior que o meio 1, o raio refratado(rf) se aproxima da Normal (N). Se o meio 2 apresentar um índice de refração menor que o meio 1, ocorre o afastamento da Normal (N). Quando o raio refratado se propagar ao longo da interface entre o núcleo e a casca de uma fibra óptica formando um ângulo de 90 (β) com a Normal, chamamos o ângulo de incidência (α) de ângulo crítico ou limite (L), pois ele limita a passagem da luz do núcleo para a casca, conforme abaixo. O ângulo crítico irá depender dos índices de refração do núcleo e da casca dessa fibra. Se aumentarmos o valor de ângulo de incidência, tal que α > L, o ângulo de refração será maior que 90. Como a luz está incidindo de um meio mais refringente, para o meio menos refringente, a tendência do raio é se afastar da Normal, sendo assim, a luz sofrerá reflexão total e voltará a se propagar no meio original, no caso, o núcleo da fibra. Propriedades das Fibras Ópticas Modos de Propagação Os raios de luz se propagam em modos, que são caminhos específicos que a luz pode percorrer dentro do núcleo. Esses surgem devido a condições de contorno impostas pelas equações de Maxwell nas interfaces núcleo-casca. As fibras ópticas admitem um número discreto de caminhos específicos que a luz pode percorrer dentro do núcleo de uma fibra. Dependendo das características da fibra, ela pode suportar apenas 01 (um) até milhares de modos de propagação. O número de modos que uma fibra suporta está diretamente relacionado com sua banda passante. Quanto mais modos de propagação menor a largura de banda. Isso acontece devido à dispersão. Abertura Numérica (NA) A abertura numérica (NA) de uma fibra define o quanto de luz do emissor, será propagada pela fibra óptica. A abertura numérica é portanto uma característica da fibra que define sua capacidade de captar luz. Como vimos, o ângulo crítico é o ângulo de incidência limite para que os raios de luz que penetrem na fibra óptica sejam efetivamente transmitidos. Esse ângulo limite gera o cone de aceitação. Raios de luz que não incidirem na fibra através do cone serão refratados e não serão propagados. 7

8 Quanto maior a abertura numérica, maior a capacidade de captação da luz de uma fibra. Em compensação, uma grande abertura numérica, permitirá a existência de mais modos de propagação provocando uma maior dispersão modal e reduzindo a largura de banda da fibra, como será tratado adiante. Uma grande abertura numérica permite captar mais luz, mas diminui a largura de banda. Uma pequena abertura numérica permite maior a largura de banda à fibra. Tipos de Fibras A principal classificação das fibras ópticas é feita a partir do número de modos de propagação (monomodo ou multimodo) e do perfil de índices de refração. As primeiras fibras eram compostas por dois dielétricos de índice de refração diferentes porém uniformes. Com o objetivo de aumentar a banda passante foram desenvolvidas fibras com índices de refração variáveis no núcleo de forma possibilitar uma variação gradual entre os índices do núcleo e da casca. A relação entre estes índices de refração é chamada de perfil de índice, que podem variar de forma abrupta (índice degrau) ou contínua (índice gradual). Fibras Multimodo As fibras multimodo caracterizam-se pela grande abertura numérica. Nela, a luz se propaga em milhares de modos distintos e têm portanto uma banda passante relativamente baixa. Dependendo da distribuição do perfil de índices ela pode ser classificada em: Fibras multimodo índice degrau Foram as primeiras fibras a serem aplicadas de forma mais difundida. É um tipo de fibra de tecnologia construtiva relativamente simples e possui algumas características próprias: A luz no interior da fibra é totalmente refletida na linha divisória entre o núcleo e a casca e se propaga em zig-zag; O núcleo e a casca possuem índices de refração constantes e distintos; as dimensões típicas do núcleo; as dimensões típicas do núcleo são de 50 a 400µm e a casca de 125 a 600µm; São as fibras que tem a menor banda passante, pois o diâmetro do núcleo é relativamente grande em relação ao comprimento de onda o que implica em milhares de modos de propagação e grande dispersão, reduzindo a banda; Possuem grande abertura numérica e portanto captam energia luminosa com facilidade. Dessa forma é possível a utilização de fontes luminosas mais simples e de custo baixo, tipicamente os LED s (Light Emmiting Diode). Essas fibras são usualmente fabricadas com núcleo e casca de sílica (dióxido de silício). São fibras de baixa capacidade de transmissão (largura de banda de 30MHz/km), elevada atenuação (>3dB - 8

9 850nm) e são utilizadas em transmissões de dados em curtas distâncias como navios, aviões, aplicações onde a imunidade a ruído e o peso reduzido são importantes. As fibras multimodo índice degrau podem também ser totalmente de plástico como silicone, poliestireno ou polimetil metacrilico. Elas se caracterizam pela flexibilidade mecânica e pela alta tolerância nas conexões e acoplamentos em razão das suas dimensões relativamente grandes. As aplicações das fibras ópticas plásticas incluem instrumentação e comunicações em automóveis (onde distâncias são muito pequenas e os requisitos de banda passante são modestos) e principalmente em sistemas de iluminação e transmissão de imagens, como por exemplo aplicações médicas. Fibras multimodo índice gradual As fibras multimodo de índice gradual têm tecnologia mais complexa e como principais características a menor atenuação (1dB/km nm) e maior capacidade de transmissão (largura de banda de 500MHz/km) em relação as fibras multimodo índice degrau. Estas fibras apresentam um índice de refração variável no núcleo diminuindo a partir do eixo central em direção à casca. O núcleo não homogêneo é em geral fabricado com sílica dopada segundo uma distribuição parabólica e pode ser considerado do ponto de vista prático, como uma sucessão de finas camadas superpostas cuja composição muda gradualmente à medida que a camada se afasta do eixo da fibra. A luz não é mais conduzida por reflexões totais e sim refratada de volta para o centro da fibra. A abertura numérica também é menor e variável com a distância radial para garantir uma banda passante adequada às aplicações. As dimensões típicas dessas fibras são 50 e 62,5µm no núcleo e de 125µm na casca, mas são também fabricadas com outras dimensões. As fibras multimodo índice gradual são atualmente as mais utilizadas em redes locais de comunicação de dados e sistemas de comunicação que exigem extensa largura de banda (sistemas que operam am alta velocidade). Nessas aplicações, em que as distâncias são relativamente curtas (limitadas a alguns km), as fibras multimodo índice gradual foram a princípio usadas em detrimento das fibras monomodo devido à facilidade de manuseio em campo, emendas e conectorização. Com o amadurecimento da tecnologia de fibras monomodo associado a uma demanda de sistemas locais com capacidades mais altas, algumas das aplicações das fibras multimodo índice gradual tendem a ser substituídas por fibras monomodo. 9

10 Fibras Monomodo Neste tipo de fibra, a propagação da luz acontece em um modo, o de menor ordem, aquele em que a luz é propagada quase em linha reta, pois o diâmetro da fibra é poucas vezes maior que o comprimento da onda. Comparadas às fibras multimodo, as fibras monomodo têm maior capacidade de transmissão e portanto são aplicadas em sistemas de comunicação que demandam grande largura de banda e longas distâncias. As atenuações típicas são da ordem de 0,47dB/km no comprimento de onda de 1.310µm e 0,25 db/km no comprimento de onda de 1.550nm. Largura de banda A largura de banda máxima de uma fibra é especificada em uma unidade chamada MHz/Km, MHz.Km ou MHz*Km. Essa unidade informa a taxa de transferência máxima da fibra. Por exemplo, uma fibra de 200MHz.Km, pode transmitir dados a 200MHz a até 1Km de distância ou até 100MHz a até 2 Km de distância. Perda Os fabricantes também informam a perda (atenuação) que a fibra sofre no sinal que está sendo transmitido, de acordo com a distância, em uma unidade chamada db/km (decibéis por quilômetro). Uma fibra com perda de 3,5dB/Km, por exemplo diminuirá a força do sinal que está sendo transmitido em 3,5 db por quilômetro. Alguns fabricantes expressam a atenuação apenas em db, nesse caso o por quilômetro está implícito. Atenuação em Fibras Como já vimos nos capítulos anteriores, atenuação é a perda de potência do sinal. Na transmissão de em fibras ópticas, os pulsos de luz perdem alguma energia durante sua transmissão. Vários mecanismos estão envolvidos nessas perdas, sendo eles, por exemplo, a absorção pelos materiais dentro da fibra, a difusão da luz dentro da fibra e o vazamento de luz do núcleo causado por vários fatores. O grau de atenuação depende do comprimento de onda da luz transmitida. A medida de atenuação, é definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na saída. A atenuação dos sinais luminosos propagados através de uma fibra óptica determina a distância máxima do enlace entre um transmissor e um receptor óptico. Os tipos de perdas mais importantes são absorção no ultravioleta (na direção dos comprimentos de ondas mais curtos), absorção no infravermelho (na direção dos comprimentos de ondas mais longos), imperfeição na guia de ondas (sílica), espalhamento de Rayleight (variações microscópicas do índice 10

11 de refração na fabricação) e impurezas (metais pesados e radicais OH -, inseridos durante a fabricação). Perdas por absorção: Absorção intrínseca: Depende do material usado na fabricação da fibra óptica e é o principal fator de transparência de um material em uma região espectral especificada. Absorção extrínseca: A perda por absorção extrínseca resulta da contaminação por impurezas que o material da fibra está sujeito durante seu processo de fabricação. Absorção por efeitos estruturais: Resultado da composição do material da fibra estar sujeito à imperfeições tais como a falta de moléculas ou a existência de defeitos de moléculas de oxigênio na estrutura do vidro. Este tipo de absorção é bastante significativo se comparada a outros tipos de absorções. Espalhamento do guia de onda: Variações de diâmetro do núcleo e do perfil de índices de refração ao longo da fibra, podem causar uma transferência de potência dos modos guiados pelo núcleo para a casca e desta maneira uma parcela de potência será perdida.estes problemas podem ser evitados durante a fabricação da fibra, sendo que empiricamente é possível demonstrar que uma variação de diâmetro máximo de 1% é desprezível. Janelas de transmissão A atenuação em fibras ópticas varia também com o comprimento de onda da luz. Existem faixas no espectro de freqüências em que essas perdas são menores. São faixas conhecidas como janelas de transmissão. As janelas de transmissão são regiões de espectro de freqüência nas quais a atenuação é mínima e a comunicação dos sistemas ópticos é máxima. Existem, basicamente, três janelas (ou faixas de passagem) de baixa atenuação que são muito utilizadas comercialmente: Janela 1: 800ηm λ 900ηm ηm Janela 2: 1000ηm λ 1310ηm ηm e 1310ηm Janela 3: 1500ηm λ 1800ηm ηm 11

12 Dispersão Óptica Atenuação somente não é o bastante para tornar a fibra óptica inestimável em sistemas de comunicações. Os fios espessos usados para transmitir potências elétricas também podem apresentar baixas perdas. Fibras ópticas são atrativas porque elas são capazes de combinar altas larguras de banda, bem como transmitir sinais a altas velocidades. Capacidade de informação é um conceito muito importante em todos os tipos de comunicações. Ela é medida de formas diferentes tanto para sistemas digitais como para sistemas analógicos. Quando um pulso de luz viaja ao longo de uma fibra óptica, ele se alarga (deforma sua característica inicial) em função do comprimento da fibra percorrida. Esse alargamento determina a banda passante da fibra e conseqüentemente a capacidade de transmissão da informação, pois se houver um alargamento excessivo dos impulsos eles não mais poderão ser distinguidos no ponto de recepção. Este alargamento de pulso é causado por dois efeitos principais, chamamos de dispersão modal e dispersão material. Um terceiro efeito, a dispersão do guia de onda é normalmente importante somente para fibras monomodo. Geralmente, a dispersão material e a dispersão de guia de onda são combinadas em uma única dispersão chamada de dispersão cromática. A dispersão limita a largura de banda da fibra óptica. Com altas taxas de transmissão, a dispersão vai fazer com que os pulsos se sobreponham, de forma que o receptor não vai mais poder distinguir onde um pulso começa e onde outro termina. É a chamada interferência entre símbolos. 12

13 Dispersão Modal Numa fibra óptica multimodo, existem inúmeros modos transportando potência tendo como cada um o seu caminho de propagação e portanto o seu tempo de percurso na fibra. Numa fibra de índice degrau, não considerando as outras dispersões, todos os modos terão a mesma velocidade de propagação. Existirá portanto a diferença máxima no tempo de percurso da fibra entre o modo que se propaga no eixo da fibra e aquele que penetrou justamente no ângulo crítico, percorrendo o caminho mais longo. Consideramos um pulso estreito que incide numa fibra. A sua potência luminosa será distribuída entre vários modos de propagação e apesar de todos eles partirem no mesmo instante no início da fibra, chegarão ao final em instantes diferentes devido aos diversos caminhos percorridos, alargando o pulso de saída e portanto limitando a capacidade de transmissão. A dispersão modal é resultado da geometria do guia de onda e das diferenças dos índices de refração que permitem a fibra propagar vários modos ou raios de luz. Dispersão Material ou cromática A dispersão cromática está presente em todas as fibras, pois é decorrente da dependência do índice de refração do material da fibra com relação ao comprimento de onda. Com uma fonte de luz (monocromática), ou seja, uma única cor, não existe dispersão cromática. Nesses casos, uma fonte de luz laser torna-se efetivamente melhor do que o LED convencional, pelo fato de o primeiro gerar uma luz mais pura e com menor largura espectral, se comparado ao segundo. Fabricação da Fibra 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 dopada 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 tem boas características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa largura 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. Fabricação de Fibras de Sílica Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra e a diferença entre eles está na etapa de fabricação da preforma (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. 13

14 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 submicroscópicas 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 preforma. Isso é feito elevando-se a temperatura do queimador a oC, 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, pode-se fabricar fibras do tipo multimodo degrau e gradual e monomodo. 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 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. 14

15 OVD (Outside Vapour Deposition) Este processo baseia-se no crescimento da preforma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril. Este mandril é colocado num torno e permanece girando durante o processo de deposição 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 preformas de diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais). Após essas etapas teremos uma preforma porosa (opaca) e com o mandril em seu centro. Para a retirada do mandril coloca-se a preforma 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 preforma e a sua retirada. O próprio forno faz também o colapsamento da preforma para torná-la cristalina e maciça. Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo multimodo e monomodo de boa qualidade de transmissão. VAD (Vapour Axial Deposition) Neste processo, a casca e o núcleo são depositados mas no sentido do eixo da 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 preforma porosa que é cristalizada num 15

16 forno elétrico à temperatura de 1500oC. Este processo obtém preformas com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo. Puxamento Uma vez obtida a preforma, por qualquer um dos métodos descritos acima, 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 efetuarão o escoamento do material formando um capilar de vidro, a fibra óptica. O diâmetro da fibra depende da velocidade de alimentação da preforma 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). 16

17 Recomendações da Norma EIA/TIA-568-B Cabos ópticos Como veremos com detalhes nos itens a seguir, os cabos ópticos podem ser do tipo multimodo (índice gradual) e monomodo, de acordo com as especificações abaixo: Valores dos parâmetros do cabo multimodo 62,5/125 µm Comp. de Onda (nm) Max. Atenuação (db/km) Largura de Banda (MHz) 850 3, /1310 1, Valores dos parâmetros do cabo monomodo Comp. de Onda (nm) Max. Atenuação (db/km) Cabo Externo Max. Atenuação (db/km) Cabo interno ,5 1, ,5 1,0 Emendas ópticas A norma também indica que a atenuação máxima de emendas por fusão ou mecânica não pode ultrapassar o valor de 0,3dB. Conectores Ópticos A norma EIA/TIA 568A recomendava o uso dos tipos de conectores ST e SMA, hoje a norma recomenda todos os conectores da família SFF que apresentam características superiores ao conector SC. A atenuação por inserção deve ser inferior à 0,75 db por conector, e a perda por retorno deve ser acima de 20dB para fibras multimodo e 26dB para fibras monomodo. Os conectores devem ter uma vida útil de operações no mínimo, sem alterar suas características. Cabos Ópticos Os cabos ópticos são estruturas de empacotamento e encapsulamento de fibras ópticas que fornecem proteção e facilidade de manuseio das mesmas. O cabeamento das fibras procura protegêlas das adversidades mecânicas e ambientais sofridas durante a instalação e operação de suporte e transmissão. Eles devem ser suficientemente fortes para evitar o rompimento das fibras pelas tensões de puxamento aplicadas ao cabo durante a sua instalação e devem fornecer também rigidez suficiente para evitar curvaturas excessivas, que causam o aumento da atenuação. Os cabos ópticos submarinos transoceânicos, por exemplo, devem suportar pressão de vários quilômetros de profundidade, e os cabos aéreos devem permitir que as fibras operem adequadamente, mesmo sob condições climáticas extremas (inverno/verão, etc.). Os cabos ópticos podem ser classificados em quatro tipos, conforme sua tecnologia de fabricação: cabos do tipo loose,cabos do tipo tight, cabos do tipo groove e cabos do tipo Ribbon. As duas primeiras classificações são as mais utilizadas em cabeamento estruturado. 17

18 Tipos de cabos ópticos Cabos tipo Loose Os cabos ópticos do tipo loose (solto) apresentam as fibras ópticas soltas acondicionadas no interior de um tubo plástico, que proporciona a primeira proteção às fibras ópticas. No interior desses tubos plásticos, geralmente se acrescenta uma geléia sintética de petróleo, que proporciona um melhor preenchimento do tubo, uma grande proteção das fibras ópticas contra os choques mecânicos, fornece lubrificação para os movimentos da fibra e principalmente, proteção contra umidade externa. Além desse tubo, normalmente é introduzido um elemento de tração que, juntamente com o tubo, recebe o revestimento final. Este tipo de cabo é bastante utilizado em instalações externas aéreas e subterrâneas e, principalmente, em sistemas de comunicação de longa distância. Cabos tipo Tight Nos cabos ópticos do tipo tight (compacto), as fibras ópticas recebem um revestimento primário de plástico e, acima disso, outro revestimento de material plástico que irá proporcionar uma proteção maior para as fibras. Cada fibra óptica com revestimento primário é denominada de elemento óptico. Os elementos ópticos são reunidos em torno de um elemento de tração, e, juntos recebem o revestimento final, resultado no cabo óptico do tipo tight. Esse cabo foi um dos primeiros a serem utilizados nas redes de telefonia; contudo, atualmente, está sendo utilizado só em aplicações em que suas características se mostram bastante favoráveis, como instalações internas de curtas distâncias e em que se faz necessária a conectorização. 18

19 O diâmetros desses cabos, geralmente é da ordem de 0,5 a 1mm e, ao contrário dos cabos ópticos do tipo loose, as fibras são submetidas diretamente as tensões aplicadas no cabo. Por outro lado, esse é um cabo mais compacto, permitindo cabos multifibras mais densos e mais resistentes a esmagamentos. Além disso, nos cabos multifibras, esse modo compacto garante maior precisão das posições das fibras, permitindo automatizar, por exemplo, a realização de emendas. São cabos recomendados para uso interno. Estrutura Tipo GROOVE Em uma estrutura tipo GROOVE as fibras ópticas são acomodadas soltas em uma estrutura interna do tipo ESTRELA. Este estrutura apresenta ainda um elemento de tração ou elemento tensor incorporada em seu interior, a função básica deste elemento é de dar resistência mecânica ao conjunto. Uma estrutura deste tipo permite um número muito maior de fibras por cabo. Estrutura Tipo RIBBON Este tipo de estrutura é derivada da estrutura tipo GROOVE, aqui as fibras são agrupadas horizontalmente e envolvidas por uma camada de plástico, tornando-se um conjunto compacto. este conjunto é então empilhado sobre si, formando uma estrutura compacta que é inserida na estrutura GROOVE, tornando um cabo com uma grande capacidade de grande capacidade de grande, podendo chegar à mais de 4000 fibras por cabo. Dispositivos Ópticos Vários dispositivos foram desenvolvidos com o objetivo de permitir a utilização de fibras em sistemas de comunicação ópticos. Esses dispositivos podem ser ativos ou passivos e são utilizados nas interfaces de conversão eletro-ópticas e no link óptico. Dentre os dispositivos ópticos, as fontes de luz são os elementos mais importantes da interface eletro-óptica. As fontes de luz são leds e os diodos laser, que convertem o sinal elétrico em um sinal óptico e injetam a luz nas fibras. Os detectores de luz são fotodiodos e fazem o inverso: recebem a luz da fibra e a transformam em sinais elétricos. A fabricação tanto das fontes quanto dos detectores de luz é baseada na tecnologia de semicondutores e tornou-se viável graças à evolução dessa tecnologia, que possibilitou a fabricação de dispositivos de dimensões muito pequenas, baixos custos, e viabilizou a utilização de sistemas ópticos em larga escala. Os materiais utilizados e a técnica de fabricação desses dispositivos são continuamente estudados para possibilitar o aperfeiçoamento e a obtenção de características compatíveis tanto das fibras quanto dos sistemas existentes atualmente. Na construção desses dispositivos busca-se: Alta sensibilidade dos detetores de luz; Emissão de luz nos comprimentos de onda que correspondem aos mínimos de atenuação na fibra (janelas); 19

20 Alta radiância (potência) e alta eficiência dos dispositivos emissores para possibilitar longos trechos de comunicação; Possibilidade de transmissão analógica ou digital; Possibilidade de utilização em altas taxas de transmissão o que implica em pequena largura espectral das fontes de luz e baixos tempos de subida e descida das fontes e detetores; Grande linearidade no caso de transmissão analógica tornando desnecessária a equalização dos sinais transmitidos; Tempo de vida útil longo, superior a horas; Característica da luz emitida, de forma a facilitar o acoplamento com a fibra. Fontes de Luz Comunicações por fibra óptica requerem fontes de luz para transmitir o sinal desejado. Na prática, existem três opções de fontes luminosas para a utilização em sistemas ópticos, ambas baseadas na tecnologia de semicondutores: LASER Amplificação de luz estimulada pela emissão de radiação (Light Amplification by Stimulated Emisson or Radiation); LED Diodo emissor de Luz (Light Emitting Diode); VCSEL Laser de Emissão por Superfície de Cavidade Vertical (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Ambas as fontes são pequenos circuitos integrados que emitem luz, quando a corrente elétrica circula por eles. A escolha do LED ou LASER como fonte emissora depende das necessidades do sistema. Há grandes diferenças nas tecnologias, que afetam significativamente o desempenho do sistema óptico. Tanto os LASERs quanto os LEDs são capazes de injetar algumas dezenas de µw de potência óptica em uma fibra. No entanto, a quantidade de potência injetada depende também do diâmetro do núcleo e da abertura numérica (AN), bem como das características especiais da luz radiada. O espectro do LASER é muito mais estreito que o do LED, diferentes comprimentos de ondas se propagam em diferentes velocidades, para um sistema de alta taxas de transmissão estas diferenças de velocidades podem causar um sério espalhamento dos pulsos digitais, limitando a velocidade de transmissão. 20

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