FIBRA ÓPTICA - SÍNTESE
Autor: Vinicius Caetanno | Publicado: 2008-12-15T17:20:00-08:00

DefiniçãoUma fibra ótica é constituída de material dielétrico, em geral, sílica ou plástico, em forma cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. Esta forma cilíndrica é composta por um núcleo envolto por uma camada de material também dielétrico, chamada casca. Cada um desses elementos possuem índices de refração diferentes, fazendo com que a luz percorra o núcleo refletindo na fronteira com a casca.A fibra ótica utiliza sinais de luz codificados para transmitir os dados, necessitando de um conversor de sinais elétricos para sinais óticos, um transmissor, um receptor e um conversor de sinais óticos para sinais elétricos. A atenuação das transmissões não depende da frequência utilizada, portanto a taxa de transmissão é muito mais alta. É totalmente imune a interferências eletromagnéticas, não precisa de aterramento e mantém os pontos que liga eletricamente isolados um do outro. Entretanto, pode ocorrer dispersão modal se a fibra for multimodo (ver abaixo). A transmissão ótica está também sujeita à dispersão espectral ou cromática. A luz que passa na fibra é feita de diferentes frequências e comprimentos de onda. O índice de refração difere para cada comprimento de onda e permite às ondas viajarem a diferentes velocidades. Os LEDs, que possuem um grande espalhamento de comprimento de onda, estão sujeitos a uma dispersão de espectro considerável. Os lasers exibem uma luz quase monocromática (número limitado de comprimentos de onda) e não sofre qualquer dispersão cromática significativa. O padrão 10BaseF refere-se à especificação do uso de fibras óticas para sinais Ethernet. O conector mais usado com fibras óticas é o conector ST, similar ao conector BNC. No entanto, um novo tipo está ficando mais conhecido, o conector SC. Ele é quadrado e é mais fácil de usar em espaços pequenos. Vantagens perdas de transmissão baixa e banda passante grande: mais dados podem ser enviados sobre distâncias mais longas, desse modo se diminui o número de fios e se reduz o número de repetidores necessários nesta extensão, reduzindo o custo do sistema e complexidade. pequeno tamanho e peso: vem resolver o problema de espaço e decongestionamento de dutos no subsolo das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. É o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites, etc. imunidade a interferências: não sofrem interferências eletromagnéticas, pois são compostas de material dielétrico, e asseguram imunidade a pulsos eletromagnéticos. isolação elétrica: não há necessidade de se preocupar com aterramento e problemas de interface de equipamento, uma vez que é constituída de vidro ou plástico, que são isolantes elétricos. segurança do sinal: possui um alto grau de segurança, pois não irradiam significativamente a luz propagada. matéria-prima abundante: é constituída por sílica, material abundante e não muito caro. Sua despesa aumenta no processo requerido para fazer vidros ultra-puros desse material.Desvantagens fragilidade das fibras óticas sem encapsulamento: deve-se tomar cuidado ao se lidar com as fibras, pois elas quebram com facilidade. dificuldade de conexões das fibras óticas: por ser de pequeníssima dimensão, exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização de conexões e junções. acopladores tipo T com perdas muito grandes: essas perdas dificultam a utilização da fibra ótica em sistemas multiponto. impossibilidade de alimentação remota de repetidores: requer alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão. falta de padronização dos componentes óticos: o contínuo avanço tecnológico e a relativa imaturidade não tem facilitado e estabelecimento de padrões. alto custo de instalação e manutenção.Aplicações Sistemas de comunicação Rede Telefônica: serviços de tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano e interligação de centrais telefônicas urbanas. Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI): rede local de assinantes, isto é, a rede física interligando os assinantes à central telefônica local. Cabos Submarinos: sistemas de transmissão em cabos submarinos. Televisão por Cabo (CATV): transmissão de sinais de vídeo através de fibas ópticas. Sistema de Energia e Transporte: distribuição de energia elétrica e sistema de transmissão ferroviário. Redes Locais de Computadores: aplicações em sistemas de longa distância e locais. Na busca de padrões a fim de facilitar a conectividade e minimizar os custos de aquisição e implantação com fibras ópticas, foi desenvolvido o FDDI.Sistemas sensores Aplicações industriais: sistemas de telemetria e supervisão em controle de processos. Aplicações médicas: sistemas de monitoração interna ao corpo humano e instrumentação cirúrgica. Automóveis: monitoração do funcionamento do motor e acessórios.Aplicações militaresFuncionamento O sinal luminoso é transmitido para a fibra ótica sob a forma de pulso '0'/'1' representando uma sequência de símbolos binários. As ondas passam através do núcleo do cabo, que é coberto por uma camada chamada cladding. A refração do sinal é cuidadosamente controlada pelo desenho do cabo, os receptores e os transmissores. O sinal luminoso não pode escapar do cabo ótico porque o índice de refração no núcleo é superior ao índice de refração do cladding. Deste modo, a luz viaja através do cabo num caminho todo espelhado. A fonte emissora da luz é usualmente um laser ou um LED. Os lasers proporcionam para uma grande largura de banda um rendimento da capacidade que é significativamente maior do que outros métodos. Por exemplo, um cabo de dois fios tem um parâmetro de distância de largura de banda de 1Mhz/Km, um cabo coaxial tem 20 Mhz/Km, e a fibra ótica tem 400 Mhz/Km. O sinal é emitido a partir de microchips compostos por materiais semicondutores que transmitem sinais com comprimentos de onda perto dos infra-vermelhos. Os detectores de luz de sílica são usados para receber os sinais e converter os raios luminosos nos pulsos eléctricos '0'/'1' originais que são usados no terminal, computador ou modem. Há vários métodos para transmitir os raios luminosos através da fibra: multimodo com índice degrau, multimodo com índice gradual e monomodo. Fibra Ótica Multimodo com Índice Degrau Foi o primeiro tipo a surgir e é também o mais simples. Na fibra multimodo com índice degrau, o núcleo e o cladding estão claramente definidos. O núcleo é constituído de um único tipo de material (plástico, vidro), ou seja, tem índice de refração constante, e tem diâmetro variável, entre 50 e 400 mm. Os raios de luz refletem no cladding em vários ângulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o espalhamento do sinal ao longo da fibra e limita a largura de banda do cabo para aproximadamente 35 Mhz.km. Este fenômeno é chamado dispersão modal. A atenuação é elevada (maior que 5 dB/km), fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação. Fibra Ótica Multimodo com Índice Gradual Num desenvolvimento melhor, chamado multimodo com índice gradual, a interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar índices de refração diferentes dentro do núcleo e do cladding. Os raios de luz viajam no eixo do cabo encontrando uma grande refração, tornando baixa sua velocidade de transmissão . Os raios que viajam na direção do cabo tem um índice de refração menor e são propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir a dispersão modal. Essa fibra pode ter larguras de banda de até 500 Mhz.km. O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 mm e a atenuação é baixa (3 dB/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações. Fibra Ótica Monomodo A fibra monomodo vai um passo à frente. O tamanho do núcleo, 8 micrometros (µm) de diâmetro, e o índice núcleo/cladding permite que apenas um modo seja propagado através da fibra., conseqüentemente diminuindo a dispersão do pulso luminoso. A emissão de sinais monomodo só é possível com laser, podendo atingir taxas de transmissão na ordem de 100 GHz.km, com atenuação entre 0,2 dB/km e 0,7 dB/km . Contudo, o equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemas multimodo. Essa fibra possui grande expressão em sistemas telefônicos. Transmissores Óticos São responsáveis por converter sinais elétricos em sinais óticos que irão trafegar na fibra. A fonte ótica é modulada pela sua intensidade, através da variação da corrente elétrica injetada no gerador ótico. A fonte ótica é um semicondutor, e pode ser de dois tipos: LED (Light-Emitting Diode) utiliza o processo de fotogeração por recombinação espontânea. São utilizados em sistemas de comunicação que exijam taxas de transferência menores do que 100 a 200 Mbits/s. Diodo LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) utiliza o processo de geração estimulada de luz.Diferenças Funcionais entre LEDs e LASERs Características Laser LED Potência Ótica alta baixa Custo alto baixo Utilização complexa simples Largura do Espectro estreita larga Tempo de Vida menor maior Velocidade rápido lento Divergência na Emissão menor maior Acoplamento na Fibra Monomodal melhor pior Sensibilidade a Temperatura substancial insignificante Taxa de Dados alta baixa Modo multimodo ou monomodo multimodo Distância longa pequena Receptores Óticos Também chamados de fotodetectores, são responsáveis pela conversão dos sinais óticos recebidos da fibra em sinais elétricos. Devem operar com sucesso nos menores níveis de potência óticas possíveis, convertendo o sinal com um mínimo de distorção e ruído, a fim de garantir o maior alcance possível. Os fotodetectores mais utilizados são os fotodiodos, e os mais comuns são PIN e APD (Avalanche PhotoDiode). Diferenças Funcionais entre Fotodiodos PIN e APDCaracterísticas PIN APD Sensibilidade menor muito maior Linearidade maior menor Relação Sinal/Ruído pior melhor Custo baixo alto Vida Útil maior menor Tempo de Resposta maior menor Variação das Características conforme a Variação  menor maior Circuito de polarização  simples complexo Comparação das Fibras Óticas e dos Fios de Cobre É instrutivo comparar a fibra com o cobre. A fibra tem muitas vantagens. Para começo de conversa, ela pode gerenciar larguras de banda muito mais largas do que o cobre. Apenas essa característica justificaria seu uso nas redes de última geração. Devido à baixa atenuação, os repetidores só são necessários a cada 30Km de distância, o que em comparação com o cobre, representa uma economia seignificativa. A fibra também tem a vantagem de não ser afetada por picos de voltagem, interferência magnética ou quedas no fornecimento de energia. Ela também está imune à ação corrosiva de alguns elementos químicos que pairam no ar e, conseqüentemente, adapta-se muito bem a regiões industriais. Por mais estranho que possa parecer, as companhias telefônicas gostam da fibra por outra razão: ela é fina e leve. Muitos dos dutos de cabo atuais estão completamente lotados, de modo que não há espaço para aumentar. Além da remoção, e subseqüente substituição, do cobre por fibras deixar os dutos vazios, o cobre tem um excelente valor de revenda para as refinarias especializadas, pois trata-se de um minério de altíssima qualidade. Além disso, a fibra é mais leve que o cobre. Mil pares trançados com 1 Km de comprimento pesam 8t. Duas fibras têm mais capacidade e pesam apenas 100Kg, reduzindo de maneira significativa a necessidade de sistemas mecânicas de suporte, cuja manutenção é extremamente cara. Nas novas rotas, as fibras têm preferência por terem um custo de instalação muito mais baixo. Por fim, as fibras não desperdiçam luz e dificilmente são interceptadas. Por essas razões, trata-se de uma alternativa muito mais segura contra possíveis escutas telefônicas. A razão para que a fibra seja melhor do que o cobre é inerente às questões físicas subjacentes a esses dois materiais. Quando os elétrons se movem dentro de um fio, eles afetam um ao outro e, além do mais, são afetados pelos elétrons existentes fora do fio. Os fótons de uma fibra não afetam um ao outro (não têm carga elétrica) e não são afetados pelos fótons dispersos existentes do lado de fora da fibra. Vale lembrar, no entanto, que a fibra é uma tecnologia nova, que requer conhecimentos de que a maioria dos engenheiros não dispõem. Como a transmissão é basicamente unidirecional, a comunicação bidirecional exige duas fibras e duas bandas de freqüência em uma fibra. Finalmente, as interfaces de fibra são mais caras do que as interfaces elétricas. No entanto, todos sabemos que o futuro das comunicações de dados em distâncias significativas pertence à fibra.