Legrand Cabling Systems

Transcrição

1 Legrand Cabling Systems Módulo III Sistemas ópticos Meios de transmissão em cabos de fibras ópticas CENTRO DE SUPORTE TÉCNICO / FORMAÇÃO Paulo Morais (31) paulo.morais@psmgestec.com.br

2 Reflexão e refração da luz A luz proveniente de um meio denso (água no exemplo da figura), será parcialmente refletida na fronteira com o outro meio de menor densidade (ar neste exemplo). Parte da luz passará para o meio menos denso (refração) Ar Água

3 Ângulo crítico Para ângulos iguais ou menores que um certo ângulo, chamado ângulo crítico ou ângulo de Brewster, a luz não será capaz de passar ao meio menos denso. Este fenômeno é chamado de reflexão interna total Ângulo crítico Ar Água

4 Reflexão interna total A primeira demonstração da reflexão interna total foi executada pelo físico britânico John Tyndall por volta de 1870 com um vertedor de água

5 Índice de refração Para se obter reflexão interna total os dois meios devem ter diferentes índices de refração, a luz deve viajar através do meio com maior índice de refração e deve incidir na fronteira entre eles com ângulo menor ou igual a 8º O índice de refração define a velocidade de propagação da luz em um meio, este parâmetro está diretamente relacionado com a densidade de cada material. Índice de Refração (N) = Velocidade da Luz no Vácuo Velocidade da Luz no Meio

6 Fibras ópticas As fibras ópticas são guias de luz com características especiais para transmissão de sinais de comunicação; Os guias de luz são conhecidos desde o descobrimento do vidro, e são usados frequentemente para ornamentos; As fibras podem ser plásticas ou de Sílica (Dióxido de Silício: SiO2) composto do vidro, da areia e do quartzo essa ultima utilizada em comunicações.

7 Construção básica A fibra óptica é uma composição de dois cilindros feitos de vidros com diferentes índices de refração e concêntricos Cada fibra óptica tem diâmetro menor que um fio de cabelo A luz viaja refletindo na fronteira entre os dois cilindros

8 Núcleo (core) O núcleo tem o maior índice de refração. A luz se propagará através do núcleo sempre e quando não se exceda o ângulo crítico O diâmetro máximo especificado nas normas ANSI para o núcleo é de 62,5µm (fibras multimodo) Núcleo

9 Casca (cladding) A casca recobre o núcleo e evita que a luz saia da fibra A casca é fabricada com vidro de menor índice de refração O diâmetro especificado nas normas ANSI é de 125µm para todos os tipos de fibras Casca

10 Revestimento primário Uma fibra óptica é um meio demasiado frágil para ser manipulado diretamente Durante o processo de fabricação se aplica um revestimento plástico (buffer coating) de 250µm chamado de acrilato para aumentar a resistência mecânica da fibra Acrilato

11 Fabricação da fibra óptica Os principais métodos para criar uma preforma são: OVD (outside vapor deposition): Corning Glass MCVD (modified chemical vapor deposition): OFS (Optical Fiber Systems, formerly Lucent and Spectran) APVD (Advanced Plasma and Vapor Deposition): Draka (formerly Alcatel)

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13 Fabricação da fibra óptica A preforma é aquecida até chegar no seu ponto de fusão, então seu diâmetro é reduzido conforme se derrete O controle é feito por lasers Como parte deste processo se aplica uma capa plástica de 250µm para aumentar a resistência mecânica A fibra é armazenada em carretéis

14 Fibra Multimodo de Índice Escalonado As primeira fibra produzidas possuíam núcleo com diâmetro relativamente grande (62,5μm) permitindo a propagação da luz em múltiplas trajetórias Cada trajetória através do núcleo é chamada de modo de propagação Por efeito dos múltiplos modos de propagação através da fibra, os pulsos de informação transportados sofrem uma defasagem em função do tempo. Este efeito é conhecido como dispersão modal

15 Dispersão Modal A dispersão modal limita a velocidade de transmissão de pulsos de informação, se a velocidade aumenta muito os pulsos recebidos podem mesclar-se entre si Pode-se reduzir a dispersão modal de duas maneiras: Reduzindo o diâmetro do núcleo Mudando a construção do núcleo para obter uma troca suave entre os diferentes índices de refração desde a casca até o núcleo

16 Fibra Multimodo de Índice Gradual Para reduzir a dispersão modal se constrói o núcleo depositando camadas sucessivas de vidro e aumentando gradualmente o índice de refração de cada camada Os modos que viajam por trajetórias maiores encontram zonas de menor índice de refração aumentando sua velocidade de propagação

17 Índice Escalonado vs Índice Gradual O núcleo da fibra multimodo de índice gradual faz com que os modos que incidem na fronteira entre o núcleo e a casca com maior ângulo se acelerem e freia os de menor ângulo

18 Fibras Monomodo A dispersão modal pode ser eliminada reduzindo o diâmetro do núcleo até valores da ordem de 10μm Esta redução do núcleo requer um transmissor especial que seja capaz de injetar luz em uma área tão reduzida: um LASER

19 A física da luz

20 Comprimento de onda Nos sistemas de fibra óptica se utiliza o comprimento de onda (nm) no lugar da frequência (MHz) para diferenciar os sinais que se propagam pela fibra Os comprimentos de onda recomendados pela ANSI pertencem ao espectro da banda infravermelha: - Sistemas multimodo / LED: 850nm (1ª janela), 1300nm (2ª janela) - Sistemas monomodo / LASER: 1310nm (2ª janela), 1550nm (3ª janela) e 1600nm (4ª janela)

21 Comprimento de onda Para cada etapa dessa evolução, foram registrados alguns pontos importantes e atribuídos o nome de janela. Em 1973, foi possível construir fibras com comprimento de onda de 850 nm com atenuação de 5 db/km, pontuando a primeira janela. A segunda e terceira janela surgiram em 1981 com atenuação de 0.5 db/km e comprimento de onda de 1300 nm na segunda, e 0.3 db/km com comprimento de onda de 1550 nm na terceira. Existe uma quarta janela que trabalha com comprimentos de onda de 1600 nm (banda L), menos utilizada pela dificuldade de controlar a luz em frequências mais próximas ao infravermelho. Atualmente a atenuação das fibras já atingem os limiares de 0.17 db/km utilizando ondas de 1550 nm. Com dispositivos foto transmissores que possibilitam irradiar em comprimentos de onda menores e fibras mais puras de baixa atenuação ( Zero Water Peak ), é possível construir sistemas com alta eficiência e taxas de transmissão de dados elevadas.

22 Fontes Luminosas As fibras multimodo e monomodo possuem diferentes requerimentos para as fontes luminosas que transmitem impulsos luminosos em seus núcleos. Light Emitting Diode Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Vertical Cavity Surface Emitting Laser

23 Conexões ópticas Emendas Mecânica Fusão Conectores ST SC SFF Acopladores

24 Conexões ópticas Emenda mecânica São soluções rápidas e de baixo custo, considerada uma solução provisória para uma futura fusão. Ideal para emergências. Método rápido e sem necessidade de equipamento sofisticado;

25 Conexões ópticas Emenda por fusão União permanente com baixa perda porém, exige investimento na compra de máquina ou aluguel; Lança mão de um arco voltaico que gera aproximadamente 2000 C (temperatura de fusão do vidro) alinha e aproxima automaticamente as fibras, controla a temperatura e estima a atenuação da emenda ALINHAMENTO PRÉ-FUSÃO FUSÃO

26 Parâmetros para conectores e emendas As emendas de fibra óptica, sejam elas por fusão ou mecânicas, não devem sofrer uma atenuação óptica maior do que 0,3 db Nas conexões ópticas, acoplamento de 2 conectores, a perda por inserção não deve ser maior do que 0,75 db

27 Conexões ópticas Conectores Um conector é um encapsulado de precisão que trava uma ou mais fibras com o propósito de manusear e alinhar perfeitamente com outras fibras Somente quando duas ou mais fibras são confrontadas nestas condições é possível passar sinais de uma fibra para outra Os núcleos das fibras devem estar completamente alinhados para que a luz possa passar O polimento e a limpeza da extremidade de cada conector é essencial para minimizar a perda de sinal

28 Conexões ópticas Conectores Os conectores são responsáveis pela terminação das fibras ópticas e permitem fazer conexões com equipamentos ou outros segmentos de fibra através de acopladores; São compostos por um ferrolho (onde a fibra é suportada), a carcaça que define seu tipo de encaixe e o suporte do cabo Ferrolho Corpo Boot

29 Tipos de conectores Conectores ST (Straigh Tip) Ainda existe uma grande base instalada deste tipo de conectores Comum em equipamentos Ethernet 10/100mbps Não é possível organizar em pares (duplex) pela necessidade de girar o conector um quarto de volta para sua instalação

30 Tipos de conectores Conectores SC (Subscriber Connector) Comuns para aplicações multimodo e monomodo Fast Ethernet É possível organizar em pares, evitando possíveis trocas involuntárias entre transmissores e receptores

31 Tipos de conectores Conectores LC (Lucent Connector) Comuns para aplicações multimodo e monomodo Gigabit Ethernet Estes conectores terminam somente uma fibra, no entanto podem ser organizados em pares facilmente Este é outro tipo de conector de forma reduzida (SFF)

32 Acopladores Para alinhar os conectores utiliza-se um cilindro com diâmetro similar ao do ferrolho do conector O acoplador se encarrega de travar o conector na posição correta e permite a ação do mecanismo de compressão do conector O acoplador também pode fazer a troca da interface

33 Alinhamento do núcleo Fatores Externos Distanciamento entre as fibras Desalinhamento lateral (núcleo) Desalinhamento angular Clivagem

34 Alinhamento do núcleo Fatores internos Descasamento de abertura numérica Falta de concentricidade Falta circularidade

35 Multimodo vs Monomodo A aparência de um conector multimodo é a mesma que a de um conector monomodo, a diferença está na precisão do orifício onde será instalada a fibra A figura ilustra o efeito da precisão de 125µm ± 10µm: O núcleo da fibra multimodo poderia ser parcialmente bloqueado O núcleo da fibra monomodo poderia ser completamente bloqueado

36 Métodos de terminação Existem dois métodos básicos para a terminação de fibra óptica em campo Conectorização Adesivos Mecânicos Fusão Pig tails e emendas

37 Métodos de terminação Tecnologia Prós Contras Epóxi / Polimento Cura por aquecimento Epóxi / Polimento Cura UV Epóxi / Polimento Anaeróbico Fibra Pré-Polida Conectores de baixo custo, permite o segundo passo Possibilita o segundo passo, mais rápido que a cura por aquecimento Conectores de baixo custo, permite o segundo passo, rápido, kit barato Rápido, treinamento mínimo, polido em fábrica, geometria perfeita da face do conector, kit barato, mínima mão de obra em campo Kit caro, forno de cura, energia elétrica, baixa durabilidade dos consumíveis, nível alto de conhecimento, treinamento intensivo, geometria imperfeita na face do conector, processo demorado Kit caro, conectores caros, forno de cura UV, energia elétrica, baixa durabilidade dos consumíveis, nível alto de conhecimento, treinamento intensivo, geometria imperfeita na face do conector, processo demorado Baixa durabilidade das duas partes do epóxi (use ou jogue fora), nível alto de conhecimento, treinamento intensivo, geometria imperfeita na face do conector Alto custo do conector, inspeção no processo de clivagem, usa uma única vez

38 Qualidade do polimento A vantagem dos conectores pré polidos é a qualidade da lente que se forma na ponta do conector, o que permite implementar mas facilmente redes de alta velocidade em fibra como as redes 10 Gigabit Ethernet Excelente polimento O escaneamento da face de contato da fibra e do ferrolho mostra o contorno ideal Polimento pobre A fibra na face de contato está para dentro do ferrolho causando uma baixa performance

39 Padrões de polimento Conectores Polimento Plano Polimento PC (Phisical Contact) Polimento UPC (Ultra Phisical Contact) Polimento APC (Angled Phisical Contact)

40 Polarização AB Dois métodos reconhecidos Numeração consecutiva das fibras: Identificando consecutivamente as fibras no painel mas invertendo a polaridade dos patch cords duplex nos extremos opostos Inversão do posicionamento dos pares: Identificando consecutivamente as fibras em um extremo e invertendo a ordem no outro

41 Características dos cabos ópticos Cabos Internos Cumprem com todas as especificações dos códigos no tocante a retardo de chama e emissão de fumaça Flexível e de fácil terminação Cabos externos Resistência a água, dano físico (tração, flexão, esmagamento, corte, perfuração) e raios ultravioleta Baixa atenuação Maior número de fibras alta densidade

42 Cabos para uso interno Revestimento compacto (tight buffer) Os as fibras usadas na construção de cabos ópticos para uso interno recebem uma camada plástica adicional extrudada diretamente sobre o revestimento primário chamada buffer ou tight buffer O diâmetro de 900µm do revestimento compacto é o mínimo recomendado para instalar conectores ópticos Tight buffer Ø 900µm Casca Ø 125µm Acrilato Ø 250µm Núcleo Ø 08-10µm - Monomodo Ø 50µm - Multimodo Ø 62,5µm - Multimodo

43 Cabos para uso externo Tubos protetores (loose tube) Os cabos para uso externo usam tubos plásticos (loose tubes) preenchidos por um gel não-higroscópico como proteção mecânica para as fibras As fibras instaladas dentro dos tubos protetores estão protegidas unicamente pelo seu revestimento primário de acrilato (250µm) Não deve instalar conectores ópticos em fibras que estejam apenas com o revestimento primário. Neste casos deve utilizar um breakout kit

44 Cabos indoor / outdoor Cabos para uso Interno ou Externo O cabo desenvolvido para ser usado em interiores e exteriores é suficientemente robusto para suportar as intempéries e tem as recomendações de flamabilidade dos cabos de uso interno Pelas características que possui e pela flamabilidade, o cabo apenas para uso externo não pode adentrar um edifício mais do que 15 metros

45 Cabos para cordões de manobra Cordões flexíveis Em uma fibra com revestimento tight buffer são depositadas fibras de aramida e uma capa plástica exterior exclusiva para cada fibra O diâmetro aproximado de cada fibra com todos seus elementos de proteção é de 2 ou de 3 mm

46 Tipos de capas de cabo OFNP Optical Fiber Nonconductive Plenum cabos dielétricos permitidos em ambientes plenum OFCP Optical Fiber Conductive Plenum cabos com elementos metálicos permitidos em ambientes plenum OFNR Optical Fiber Nonconductive Riser cabos dielétricos permitidos como Riser (backbone vertical) OFCR Optical Fiber Conductive Riser cabos com elementos metálicos permitidos p/ Riser (backbone vertical) OFNG - Optical Fiber Nonconductive General Purpose cabos dielétricos permitidos para uso geral OFCG Optical Fiber Conductive General Purpose cabos com elementos metálicos permitidos para uso geral

47 Classificação de queima Baixa Emissão de Fumaça sem Halogênios Low Smoke Zero Halogen LSZH Plenum (NFPA262/UL910/CSA FT6) Locais de retorno de Ar Condicionado COMMUNICATIONS CABLE CMP OPTICAL FIBER NONCONDUCTIVE OFNP OPTICAL FIBER CONDUCTIVE OFCP NBR (PARA FIBRAS ÓPTICAS) COP Riser (UL1666) Shafs e instalações verticais CMR OFNR OFCR COR Uso Geral (CSA FT4) Subsistema Horizontal CMG OFNG OFCG Uso Geral (UL1581) Subsistema Horizontal CM OFN OFC COG Residencial (UL1581) Comercial restrito, em dutos CMX

48 Código de cores Segundo a norma 598-C as primeiras doze fibras devem seguir o seguinte código de cores: 1. Azul 2. Laranja 3. Verde 4. Marrom 5. Cinza 6. Branco 7. Vermelho 8. Preto 9. Amarelo 10. Violeta 11. Rosa 12. Azul Água Segundo a norma ABNT NBR 14565/11 as primeiras doze fibras devem seguir o seguinte código de cores: 1. Verde 2. Amarela 3. Branca 4. Azul 5. Vermelho 6. Violeta 7. Marrom 8. Rosa 9. Preto 10. Cinza 11. Laranja 12. Azul Água

49 Código de cores Código de cores do conector e acoplador Carcaça BEGE: Fibra Multimodo Carcaça AZUL: Fibra Monomodo Carcaça VERDE: Fibra Monomodo com polimento APC Código de cores do cabo de manobra Cabo LARANJA: Fibra Multimodo (OM1 e OM2) Cabo VIOLETA É o padrão da Legrand para (OM3) Cabo AMARELO: Fibra Monomodo (OS1) Cabo ACQUA: Fibra Multimodo Laser Optimized (OM4)

50 Considerando as perdas Além das conexões e das emendas, as perdas nos cabos ópticos também devem ser consideradas para cálculo preliminar da perda por inserção esperada para cada enlace... os resultados de atenuação em lances horizontais devem ser menores que 2dB. Este valor está baseado nas perdas de dois pares de conectores (um par na saída/tomada de telecomunicações e um par na conexão cruzada horizontal), mais 90 metros (295 pés) de cabo de fibra óptica. Para sistemas de cabeamento em escritórios abertos implementados com um ponto de consolidação os resultados de atenuação devem ser menores que 2,75 db. Perda no enlace = Perda do cabo + Perdas nos conectores + Perdas nas emendas

51 Perdas ópticas A perda de cada enlace depende do comprimento e do coeficiente de atenuação. O coeficiente de atenuação varia com o comprimento de onda.

52 Perdas ópticas

53 Dúvidas???

54 Padrão IEEE 802.3ba 40 Gbps As três principais especificações da 802.3ba para 40Gbps são: - 40GBASE-CR4: cabeamento de cobre para lances menores de 10m - 40GBASE-SR4: fibras ópticas multimodo lances curtos - 40GBASE LR4: fibras ópticas monomodo lances longos Ambas opções, SR e LR usam canais seriais correndo em paralelo Para obter 40GbE usam-se 8 fibras, cada par transmitindo e recebendo 10Gbps, comum em soluções MTP / MPO

55 Padrão IEEE 802.3ba 40 Gbps O padrão MTP / MPO permite a transmissão de 40Gbps usando 4 fibras transmitindo 10 Gbps cada e 4 fibras recebendo 10Gbps simultaneamente Rx Gbps 10Gbps 10Gbps 10Gbps Tx Tx 10Gbps 10Gbps 10Gbps 10Gbps Rx

56 Padrão IEEE 802.3ba 40 Gbps Cross Over 40 Giga Diferente da transmissão de 1Giga, o cruzamento das fibras se dá no backbone (1-4 para 12-9). Em um painel comum pode ser bem difícil organizar e identificar cada fibra N/A N/A 5 6 N/A N/A 6 7 N/A N/A 7 8 N/A N/A

57 Padrão IEEE 802.3ba 40 Gbps A família de conectores MPO é definida por duas normas internacionais - IEC e TIA (FOCIS 5) MPO = Multifiber Pull Off MTP = Mechanical Transfer Pull Off MTP é o conector multifibras marca registrada da US Conec s O conector MTP cumpre 100% com as especificações de ambas as normas FOCIS 5 e IEC , porém não é um conector MPO Os conectores MTP são compatíveis com os MPO padrão, mas algumas partes do conector MTP são estritamente diferentes O conector MTP é um conector MPO de alta performance!

58 Componentes internos MTP MPO

59 Componentes internos MTP batente metálico com encaixe da mola oval. MPO batente plástico com mola redonda sem encaixe apropriado. A mola pode danificar o ribbon.

60 Batentes O apoio MTP possui a mesma forma da mola, o encaixe fica perfeito! Apoio para a mola de um conector MPO típico.

61 Mola Dois ribbons de 12FO A mola oval cria maior espaço para a região do ribbon, melhorando a performance mecânica. A mola redonda cria menor espaço para a região do ribbon, limitando a performance mecânica.

62 Ferrolho flutuante O ferrolho pode se mover livremente dentro da cavidade para diminuir os esforços do acoplamento.

63 Pino guia Quinas cegas..ruim! Pino guia MTP Pino guia MPO

64 Teste de durabilidade Conector MPO típico o pino guia danificou a luva guia após 500 encaixes Luva guia do conector MTP após 600 encaixes

65 Conectores MTP Alta densidade - com 12 ou 24 fibras Pinos de alinhamento ou 24 fibras OM1, OM2, OM3, OM4, OS1 ou OS2 3. Guia para garantir a posição correta do conector

66 Padrão IEEE 802.3ba 100 Gbps As três principais especificações da 802.3ba para 100Gbps são: - 100GBASE-CR4: especificações de cabeamento de cobre para lances menores de 10m - 100GBASE-SR4: especificações para fibras ópticas multimodo lances curtos - 100GBASE ER4: especificações para fibras ópticas monomodo lances extendidos - 100GBASE LR4: especificações para fibras ópticas monomodo lances longos Todas as opções, SR, ER e LR usam canais seriais correndo em paralelo Para obter 100GbE usam-se de 20 a 24 fibras, cada par transmitindo e recebendo 10Gbps, comum em soluções MTP / MPO

67 Proposta para 40 e 100 Gbps

68 SD SD Exercício I Calcule o total de perda estimada para o canal de FO demonstrado abaixo, considerando: Perda por inserção num cabo de fibra óptica multimodo = 3,0 db / Km Perda por conexão óptica = 0,75 db Perda em cada emenda = 0,3 db Comprimento do enlace = 320m Switch Switch x x x Emendas

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