Baixe fib oticas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! www.projetoderedes.kit.net 1. INTRODUÇÃO O surgimento da Fibra Ótica veio alavancar uma grande evolução no sistema de comunicação. Através disso, todas as novas tecnologias de comunicação, de um modo geral, têm adotado as fibras óticas como suporte básico de comunicação, de maneira a melhorar a transmissão de dados, de uma maneira mais rápida e mais segura. Essa transmissão se dá através da propagação da luz. A capacidade de transmissão depende essencialmente da estrutura da fibra. O material com que ela é feita determina as frequências ou comprimentos de onda e os níveis de atenuação impostas à fibra. vantagens da utilização da fibra ótica são as seguintes: imunidade a interferências, grande capacidade de transmissão, ausência de ruídos, isolação elétrica, pequeno tamanho e peso, sigilo de comunicação. Ao longo desse trabalho será possível se conhecer um pouco mais sobre essa tecnologia, de uma maneira prática e objetiva, além de entender porque as Fibras Óticas vêm pouco a pouco substituindo a utilização dos cabos nas telecomunicações. 2. ESTRUTURA DAS FIBRAS ÓTICAS As Fibras Óticas são compostas basicamente de material dielétrico, vidro ou plástico. Têm uma forma cilíndrica e alongada, transparente e flexível, cujas dimensões se aproximam a um fio de cabelo. A região central denomina-se núcleo e a região que envolve o núcleo chama-se casca. Veja o exemplo abaixo (Fig. 1): N2 SEÇÃO LONGITUDINAL SEÇÃO NI > Índice de Refração do meio 1 (núcleo) N2 > Índice de Refração do meio 2 (casca) N1>N2 Sempre Fig. 1 A casca e o núcleo têm densidades diferentes. Essas densidades características são denominadas de Índice de Refração. Essa diferença é necessária para satisfazer a condição de confinamento e propagação da luz, usando-se materiais dielétricos diferentes. O Índice de Refração do Núcleo é sempre maior que o da casca, para que haja o confinamento da luz. As fibras aqui abordadas são constituídas de Sílica (SIO,). O núcleo tem a função de propagar a luz e a casca, confina a luz no interior do núcleo. www.projetoderedes.kit.net A fibra ótica pode ter casca simples ou dupla, sendo esta a melhor, já que tem maior confinamento e menor perda (Fig.2). N1 > Índice de Refração do Núcleo N2 > Índice de Refração da Casca Interna N3 — Índice de Refração da Casca Externa Fig.2 As fibras são bastante resistentes se comparadas com o fio metálico de mesma espessura, por serem protegidas por encapsulamentos ou revestimento contra choques mecânicos ou pertubações ambientais. O encapsulamento de várias fibras na mesma estrutura dá origem ao CABO ÓTICO. 3. PRINCÍPIO DE PROPAGAÇÃO A propagação da luz tem comportamento bastante diverso, quando passa de um meio para outro com densidade diferente. Em um determinado meio, a luz pode refletir totalmente, parcialmente ou simplesmente não refletir. Para haver reflexão total, o raio de luz deve ir do meio mais denso para o menos denso. Os raios de luz que incidem na fibra ótica ficam confinados no núcleo (devido a sua densidade) e sofrem sucessivas reflexões na interface núcleo/casca. Entretanto os raios que são refratados para a casca são absorvidos por ela. A reflexão ou refração depende do ângulo de incidência do raio (Fig. 3). 2 rr ND —R N2. Z Ni N2 Fig. 3 www.projetoderedes.kit.net uma esquina) e microcurvaturas (aquelas de caráter microscópico, cujos raios de curvaturas são próximos do raio do núcleo da fibra). 7.4. Projetos de guias de onda Parte da energia luminosa é absorvida pela casca. 8. DISPERSÃO Alargamento do sinal ótico ao longo do percurso da fibra, influenciando diretamente na capacidade de transmissão, distorcendo os sinais transmitidos, impondo portanto uma limitação na sua capacidade de transmi . Os mecanismos pelos quais ocorrem a dispersão são os seguintes: 8.1. Dispersão modal Afeta a transmissão nas fibras multimodo e resulta do fato de cada modo de propagação, para um mesmo comprimento de onda, ter uma diferente velocidade de propagação. 8.2. Dispersão material Essa dispersão corresponde à dispersão cromática que resulta da dependência da velocidade de propagação de grupo de um modo individual com relação ao comprimento da onda. 8.3. Dispersão da guia de onda Também se baseia na dispersão cromática. De um modo geral, pode-se dizer que a dispersão modal afeta a capacidade de transmissão das fibras multimodos ID e a dispersão cromática afeta as fibras monomodos e fibras multimodo IG. 9. PROPRIEDADES DAS FIBRAS ÓTICAS 9.1. Imunidade a interferências Por serem compostas de material dielétrico, as fibras óticas não sofrem interferências eletromagnéticas. Isso permite uma boa utilização dela, mesmo em ambientes eletricamente ruidosos. As fibras óticas podem ser agrupadas em cabos óticos sem interferirem umas nas outras, devido a não existir irradiação externa de luz, resultando num ruído de diafonia (crosstalk) desprezível. Por não necessitarem de blindagem metálica, podem ser instaladas junto a linhas de transmissão de energia elétrica. 9.2. Pequena atenuação As fibras óticas apresentam perdas muito baixas. Deste modo, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com espaçamento muito grande entre repetidores, o que reduz a complexidade o custo do sistema. Veja a comparação da atenuação entre Par Trançado, Coaxial e Fibra Ótica (Multimodo IG) (Fig. 5). www.projetoderedes.kit.net A 0,35 mm A T Par Trançado E pl NAWG N 10 Us A 1 cos) À ad Fibra Ótica O 21 (dB) 01 1 10 100 FREQUÊNCIA (MHz) Fig. 5 9.3. Grande capacidade de transmissão Os sistemas de comunicações por fibras óticas tem uma capacidade de transmissão muito superior a dos sistemas em cabos metálicos. Devido à baixa atenuação, podem transmitir sinais a distâncias muito grandes. Com a tecnologia de amplificadores ópticos, é possível uma transmissão interurbana com até centenas de quilômetros de distância sem estações intermediárias, aumentando a confiabilidade do sistema, diminuindo o investimento inicial e as despesas de manutenção. 9.4. Ausência de diafonia As fibras adjacentes em um cabo ótico não interferem umas nas outras por não irradiarem luz externamente. Não ocorrendo o mesmo nos cabos metálicos, que quando perdem parte de seu isolamento, ocorre uma irradiação entre pares metálicos adjacentes, ocasionando o fenômeno crosstalk. 9.5. Isolação elétrica O material dielétrico que compõe a fibra proporciona um isolamento elétrico entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras óticas não têm problemas de aterramento com interfaces dos transceptores. Além disso, quando um cabo de fibra é danificado por descarga elétrica, não existem faíscas. Isso é importante em áreas de gases voláteis (áreas petroquímicas, minas de carvão, etc) onde o risco de fogo e explosão é constante. A não existência de choque elétrico permite a reparação em campo, mesmo com os equipamentos ligados. 9.6. Pequeno tamanho e peso de um fio de cabelo. Mesmo sendo encapsuladas, o diâmetro e o peso dos cabos óticos são bastante inferiores aos dos cabos metálicos. Um cabo ótico tem o diâmetro externo de 17 mm e o cabo metálico, 75 mm. 9.7. Sigilo para comunicação As fibras óticas não irradiam a luz propagada, implicando num alto grau de segurança para informações transportadas. Qualquer tentativa de captação de mensagem ao longo do cabo, logo é descoberta, pois exige o desvio de uma parte considerável da potência luminosa transmitida, paralisando o sistema de comunicação. Esta qualidade é www.projetoderedes.kit.net muito importante em sistemas de comunicação exigentes em privacidade como bancos, instituições militares, etc. 10. FABRICAÇÃO DAS FIBRAS ÓTICAS As fibras óticas são compostas basicamente por vidros e plásticos. Na cl vidros, considerando-se a janela espectral típica das fibras, dois tipos fundamenta: de Sílica (SIO>) pura ou dopada, vidros multicompostos. Veja algumas técnicas de fabricação: 10.1. Preforma As preformas utilizadas na fabricação de fibras de sílica consistem num bastão cilíndrico de vidro, cuja composição material (sílica pura ou dopada) reflete a estrutura núcleo/casca, isto é, material de refração superior envolvido por material de refração inferior, segundo espessura e concentrações bem determinadas. As técnicas de fabricação de preformas baseiam-se num processo de deposição de vapor químico muito utilizado na fabricação de semicondutores. 10.2. Puxamento e revestimento das fibras Uma vez feita a preforma, o próximo passo na fabricação é o puxamento e revestimento das fibras, que é realizado por um equipamento chamado de torre de puxamento. A preforma é colocada num forno de grafite onde é fundida em torno de 2000ºC até obter uma forma de um filamento fino (fibra). Depois disso a fibra é revestida por um material polimerizado, o acrilato, que a reveste do desgaste, preservando suas propriedades óticas. 11. FONTES DE LUZ Vários fatores importantes entram na seleção de uma fonte de luz para um sistema de fibras óticas. A luz precisa estar em um comprimento de onda transmitido eficazmente pela fibra, normalmente 850, 1310 ou 1550 nm, nas fibras de sílica. A faixa de comprimento de onda é também importante porque quanto maior a faixa, maior o potencial para problemas de dispersão. As principais fontes de luz usadas em sistemas de fibras óticas são dispositivos semicondutores — diodos emissores de luz (LED's) e LASER's semicondutores. 11.1. FONTE TIPO LED Os LED's que emitem luz invisível próxima do infravermelho são fontes de luz comuns para sistemas de fibras óticas curtos. O comprimento de onda emitido depende dos níveis de energia internos do semicondutor. Em um semicondutor puro de baixa temperatura, todos os elétrons ficam reunidos dentro da estrutura cristalina. Conforme a temperatura aumenta, alguns elétrons nessa banda de valência pulam para um nível de condução de energia mais alto, onde eles ficam livres para se mover pelo cristal. 10 www.projetoderedes.kit.net 13. POTÊNCIA E ACOPLAMENTO DE LUZ Para alguns tipos de LASER's a potência de fontes óticas para comunicações podem variar desde dezenas de microwatts para até valores acima de 100 miliwatts. Essa potência depende do ângulo sobre o qual a luz é emitida, o tamanho da área de emissão de luz, o alinhamento entre fonte e a fibra e as características de coleta de luz da fibra (Fig. 6). A intensidade da luz decresce com a distância do centro. LASER's semicondutores típicos emitem luz que se espalha por um ângulo entre 10 e 20 graus, entretanto a luz de um LED se espalha muito mais. Ângulode — Estaáreaé , Emissão perdida Área de Emissão / Alinhamento Núcleo da Fonte e da Emissor +“ da Fibra Fibra N Ângulo de Aceptância ) A luz precisa entrar no núcleo dentro desse ângulo de aceptância Fig. 6 14. MODULAÇÃO Ocorre quando a potência de saída dos LASER*s e LED*s semicondutores varia diretamente com a corrente de entrada. Diversas variáveis são importantes em modulação. Uma delas é a velocidade. Os LASER's são mais rápidos que os LED's. 15. DETETORES DE LUZ Os detetores usados em comunicações de fibras óticas são fotodiodos ou fotodetetores semicondutores, que levam seus nomes a partir de sua habilidade em detectar luz. Os detetores semicondutores mais simples são as células solares, onde a energia luminosa incidente leva os elétrons da banda de valência para a banda de condução, gerando uma tensão. Vários tipos de detetores podem ser usados em sistemas de fibras óticas. Os fotodetetores podem ser feitos de silício, arsenieto de gálio, germânio, fosfeto de índio, ou outros semicondutores. Sua resposta de comprimento de onda depende de sua composição. www.projetoderedes.kit.net Outros efeitos como a absorção em outras partes do dispositivo fazem com que a resposta caia mais gradualmente em comprimentos de onda mais curtos. As faixas operacionais aproximadas dos materiais detetores mas importantes são: Silício: 400 a 1000 nm Germânio: 600 a 1600 nm GaAs: 800 a 1000 nm InGaAs: 1000 a 1700 nm InGaAsP: 1100 a 1600 nm qXuas 15.1. Velocidade e Banda Passante Os detetores levam tempos finitos para responder a mudanças de entrada. Ou seja, existe um atraso (dependendo do material e do projeto do dispositivo) entre a entrada de um sinal ótico em um detetor e sua produção de corrente na sua saída. Existem mais dois limites, referente a velocidade, que afetam os sistemas óticos mais diretamente: o tempo que o sinal elétrico de saída leva para subir do nível baixo para o alto (tempo de subida) e o tempo de queda correspondente. O tempo de subida é definido como o tempo em que o sinal de saída leva para subir de 10% a 90% do nível final depois da entrada ter sido estimulada. O tempo de queda é o inverso: quanto tempo a saída leva de 90% a 10% para cair, depois da entrada ter sido desligada. Apesar do atraso interno não afetar diretamente a banda passante, ou taxa de bit, os tempos de subida e descida afetam. 15.2. Fototransistores É o detetor mais simples. Pode-se imaginá-lo como um transistor no qual a luz gera a corrente de base. A maioria dos fototransistores comerciais é feita de silício. Sua utilização mais comum é em sensores baratos, porém também podem ser utilizados em dispositivos para sistemas de fibra ótica de baixo custo e baixa velocidade. 16. CONECTORES ÓTICOS Os conectores, são dispositivos passivos que permitem realizar junções temporárias ponto a ponto entre duas fibras ou nas extremidades dos sistemas, juntando-se opticamente a fibra ao dispositivo fotoemissor ou fotodetetor. A qualidade de conexão é garantida pela precisão com que as peças mecânicas que constituem o conector óptico conseguem posicionar as extremidades das fibras com relação ao corpo exterior do conector. Os conectores são instalados nas extremidades dos cabos ópticos ou num dispositivo de suporte junto ao transmissor ou ao receptor óptico. O uso de conectores em junção fibra-fibra oferece vantagens operacionais com relação as outras técnicas de conexão ponto a ponto como a conexão por emenda, pois neste caso manuseio é facilitado por dispensar equipamento sofisticado na execução da tarefa ou mesmo o conhecimento técnico particular. www.projetoderedes.kit.net 16.1. DISPOSITIVOS ÓPTICOS São dispositivos passivos, que fazem a conexão de uma fibra óptica ao equipamento fototransmissor ou fotodetetor por exemplo: e Interfaces com redes (Lan's, Man's, Wan's). * Conexão de enlaces ponto a ponto ou multiponto. * Painéis (Racks) para roteamento de cabos. De modo geral são aplicáveis a conexões de caráter temporário, onde a fusão (que tem caráter permanente) não adequadamente pela exigência de conexão e desconexão. 16.1.2. Características básicas: e Perda de inserção e reflexão baixas. e Estabilidade de características em relação aos ciclos de conexão e desconexão. * Construção e montagem bastante simples. e Alta tolerância a fatores ambientais (temperatura, umidade, poeira, choques mecânicos). * Crosstalk muito baixo para conectores multifibras. * Alta durabilidade a repetição de ciclos. * Padronização entre os fabricantes. * Baixos custos. 16.2. Atenuação dos conectores: > Fatores Intrínsecos: * Perdas por diferença de geometria do núcleo. Qualquer diferença na geometria (diâmetro, elipticidade, concentricidade núcleo/casca, etc.) dos núcleos das fibras implicam no descasamento das áreas de emissão e recepção da luz transmitida, o que resulta sempre em perdas. As variações na concentricidade do núcleo com relação à casca ou ainda a elipticidade do núcleo, também ocasionam um descasamento das áreas de emissão e recepção, consequentemente gerando perdas. É importante observar que a casca da fibra, constitui-se numa dimensão crítica no alinhamento mecânico das fibras fazendo com que diferentes diâmetros de casca impliquem em diferentes modelos de conectores. e Diferença de abertura numérica (AN) A transmissão de luz de uma junção de uma fibra multimodo ID com AN superior para outra com perfil também ID dimensões idênticas, mas com AN inferior resulta também em perdas. Essa diferença de AN, é resultado dos diferentes índices de refração dos núcleos e cascas nas duas fibras. Nas fibras monomodo essas perdas advém do descasamento do raio modal (Wo). > Fatores Extrínsecos www.projetoderedes.kit.net Essa divisão de potência tipicamente limita um transmissor a enviar sinais para dezenas de receptores apesar de amplificadores e receptores poderem aumentar esse número. Para complicar ainda mais as coisas, os acopladores não são fáceis de se construir e normalmente sofrem de perdas acima do valor mais baixo teórico da simples divisão de potência 18.1. APLICAÇÕES DOS ACOPLADORES Os acopladores não eram necessários nos primeiros sistemas de fibras óticas que transportavam sinais entre dois pontos, ou pares de pontos. Porém muitas aplicações requerem conexões de muitos terminais, como uma rede de área local. Em cada ponto onde um dispositivo é conectado a rede, o sinal precisa ser dividido em duas partes, uma para ser passada ao longo da rede e outra enviada ao dispositivo. Isso pode ser feito de várias maneiras: * Uma das mais simples é dividir o sinal óptico em cada conexão com parte de luz indo para o dispositivo e o resto indo em torno da rede. Isso mostra ser bem ineficiente provocando assim uma grande perda de potência devido ao acúmulo de atenuação. * Uma outra maneira é enviar o sinal a um único acoplador de múltiplas saídas localizado centralmente, que distribui saída para todos os terminais. Os detalhes diferem, mas a necessidade de acopladores aparece em qualquer momento em que os ão divididos e enviados para dois ou mais lugares. A única maneira de evitar a necessidade de acopladores é converter o sinal óptico em sinal elétrico e usá- los para acionar múltiplos transmissores, o que é feito em algumas redes. Os acopladores são também necessários para separar ou combinar sinais normalmente em comprimento de onda diferentes, sendo enviados através da mesma fibra. 18.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS ACOPLADORES A maioria dos acopladores é composta por dispositivos ópticos passivos que dividem os sinais entre duas ou mais portas de saída. O fato fundamental da vida dos acopladores passivos, é que a potência de saída total não pode ser maior que a potência de entrada. A partir do ponto de vista de cada dispositivo de saída, o acoplador tem uma perda característica igual a razão entre a saída do dispositivo e a potência total de entrada. A divisão por igual de um sinal de entrada entre duas portas de saída causa uma perda de 3 dB. Qualquer perda adiciona acima desse mínimo teórico é chamada de perda adicional. De modo geral um acoplador com uma entrada e muitas saídas, a saída total somada de todas as portas de saídas, se iguala a potência de entrada menos a perda adicional. Em geral a potência não precisa ser dividida por igual entre as portas de saída. Um acoplador de duas pode ser projetado para 10% de luz emergir em uma porta e 90% na outra. 18.3. TIPOS DE ACOPLADORES Uma outra variável no projeto dos acopladores é como eles operam a luz passando em diferentes direções. Alguns acopladores operam de maneiras diferentes, dependendo de 18 www.projetoderedes.kit.net em qual porta a luz entra e em qual direção ela viaja. Estes são denominados de acopladores DIRECIONAIS. Outros operam da mesma maneira, não importa em qual porta a luz entra ou em que direção ela viaja. Estes são chamados acopladores BIDIRECIONAIS. Tanto acopladores direcionais como bidirecionais podem ser utilizados para dividir ou combinar sinais de sistemas de fibras óticas. A escolha depende da aplicação, mas é importante conhecer qual é qual. 19. CABOS ÓPTICOS Os cabos ópticos são estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras óticas que têm como funções básicas prover às fibras proteção e facilidade de manuseio. As características das fibras são sensíveis a influências mecânicas e ambientais conforme visto anteriormente. O cabeamento, portanto, procura proteger a fibra ou fibras, contra adversidades mecânicas ou ambientais durante a instalação ou operação do suporte de transmissão. Devem também prover rigidez necessária a fim de prevenir curvaturas excessivas nas fibras. 19.1. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISSÃO As características de transmissão de uma fibra óptica nua podem ser afetadas pelo processo de cabeamento. O desempenho de um cabo óptico pode diminuir ao longo do tempo por três razões principais: 1. Atenuação crescente em função da presença de hidrogênio que pode ser gerado pela corrosão metálica da estrutura de suporte físico do cabo em presença de água ou pela decomposição de material plástico de revestimento; 2. Fadiga estática fazendo com que uma fibra quebre anos após a instalação do cabo; 3. Envelhecimento térmico da estrutura do cabo fazendo com que a atenuação induzida por microcurvaturas aumente. 19.2. TIPOS DE CABOS ÓTICOS A fibra óptica durante o processo de fabricação é revestida por camada de acrilato para proteção. Em alguns casos esse revestimento de proteção básica é suficiente para permitir que a fibra seja utilizada diretamente numa estrutura de cabeamento. Entretanto, na maioria das aplicações, é necessário prover a fibra de proteção adicional através de um procedimento comum conhecido por BUFFERING. O processo de buffering de uma fibra em cabo óptico pode ser basicamente de dois tipos: modo solto (loose) e modo compacto (tight): * Encapsulamento Solto — A estrutura de buffering de modo solto consiste em um tubo longo com diâmetro interno muito maior que o diâmetro da fibra, contém a fibra, isolando-a das tensões no cabo (forças externas e contrações devido a variação de temperatura). A fibra pode mover-se livremente com relação às paredes do tubo. O tubo costuma ser preenchido (principalmente nos cabos de uso externo) por um www.projetoderedes.kit.net material viscoso, tipicamente composto de silicone ou geléias de origem petroguímicas, que além de proteção adicional contra impurezas, provê uma lubrificação para os movimentos da fibra. Para aplicações internas, mais imunes as tensões e variações ambientais, o tubo pode ficar vazio. º Encapsulamento Compacto — Uma camada de proteção de nylon ou poliéster e extrusada diretamente sobre a fibra revestida. Neste caso as fibras são submetidas imediatamente as tensões aplicadas ao cabo. Por outro lado o modo compacto provê menores dimensões e maior resistência a forças de esmagamento. Este tipo de estrutura básica para cabos ópticos costuma ser usado principalmente para atender a demanda de cabos com dimensões pequenas úteis, por exemplo, em instalações em dutos existentes bastante congestionados. 19.2.1. Cabos Monofibras Os cabos monofibras (Fig. 7) são utilizados em sistemas de comuni unidirecional. Este tipo de cabo é muito utilizado para conectar o equipamento transmissor ou receptor ao cabo multifibras, o qual é o suporte de transmissão. Estes cabos podem ser encapsulados de forma solta ou compacta. OO Simplex Duplex Zipcord Fibra ótica A - Revestimento em acrilato | Revestimento lipo “tight” com =" 900 pm de diimetro — Hemento de traçãoMios de aramida “Capa externa Fig. 7 19.2.2. Cabos Multifibras Os cabos multifibras (Fig. 8) podem ter várias características de construção diferentes. São cabos com duas ou mais fibras, utilizados como suporte de comunicação efetivo nas redes de telecomunicações. Hemento central dielectrico - Fibra ótica Revestimento em acrilato Revestimento lipo "tight" com ADO pm Fibra ótica com revestimento colorido tipo “tight” com - 90bpm de diametro -—— de diáimetro Capa elzstomérica colorida =. —— Hemento de tração/ios de armida Capa extema tipo Core- LockedTMem PA. para uso em ambientes intemos — e extemos Fipcord — Capa elastomerica de subcabo tipo Core-LockedTa Subeabo Fig. 8 20