Conceitos de Fibra Óptica

O que é Fibra Optica?

Fibra Óptica ou Ótica, como também é conhecida, é o meio pelo qual a potência luminosa injetada pelo Emissor de Luz, é transmitida até o Fotodetector. Formada por um Núcleo de material dielétrico, geralmente Óxido de Silício (SiO2), dopado com Germânio, Fósforo e Alumínio para aumentar seu índice de refração, e por uma Casca de material dielétrico, podendo ser Sílica pura, com índice de refração ligeiramente inferior ao do Núcleo, o Cabo Ótico é protegido mecânicamente e ambientalmente por encapsulamentos (geralmente plásticos), conforme sua aplicação, podendo conter uma ou mais Fibras.

As Fibras Óticas caracterizam-se por operarem em Regiões Espectrais onde a atenuação é mínima. Essas Regiões, conhecidas como Janelas de Transmissão, situam-se em torno dos comprimentos de onda de 850nm, 1300nm e 1550nm.

Exposição da Fibra Óptica em Camadas

Para confinar a luz dentro do Núcleo (fenômeno denominado Reflexão Total), a densidade ou índice de refração deve ser maior no Núcleo do que na Casca, variação que permite a reflexão da luz.

A Fibra Ótica transmite luz introduzida numa extremidade para a outra com pequena perda, devido a seqüência de reflexões ao longo do caminho. Para exemplificar, imagine um tubo plástico de pequeno diâmetro, flexível e internamente espelhado. Em uma das pontas se injeta um Raio Laser, que é refletido ao longo de todo percurso pela superfície espelhada, mesmo nas curvas. Na outra ponta, o Raio Laser é detectado.

A luz, nos sistemas de Fibra Òtica, é transmitida por variação de amplitude, existindo processos analógicos e digitais.

Com capacidade de transmissão 1 milhão de vezes maior do que a do Cabo Metálico, a Fibra Óptica é o principal meio de comunicação mundial.

Mantendo somente Cabos Metálicos como condutores de informações, em certos casos seria mais rápido enviar uma pessoa para entregar a correspondência, do que transmitir tais dados.

Para transmitir um pacote de informações com 72Gb- que corresponde ao conteúdo de um disco rígido de 9Gb- a uma distância de 10Km, utilizando Cabo Metálico, seriam necessárias dez horas. Por Fibra Ótica seriam gastos apenas 7,2 segundos.

Analogamente, se num estádio de futebol lotado houvesse apenas uma pequena porta de saída, o tempo para esvaziá-lo seria muito maior do que utilizando diversos portões.

Atenuação de Sinal em Fibras Óticas- perdas por absorção devido a imperfeições, frente a qualidade dos materiais que compõe o Núcleo e a Casca.

Flashes

Conversão de Sinais Elétricos em Luz, Permitindo a Transmissão por Fibra Ótica

Transmissor Ótico: composto por dispositivo emissor de luz e circuito driver. O Conversor Emissor de Luz- ou Conversor para Fibra Ótica TX é o responsável pela conversão eletro-ótica dos sinais. Dois tipos de dispositivos são utilizados como fontes luminosas, os LD(s)- Diodos Laser e LED(s)- Diodos Eletrominescentes. O circuito driver tem funções de polarização elétrica e de comando da emissão de potência luminosa pelo emissor de luz. A potencia emitida, e portanto a capacidade de transmissão, é função direta do tipo de emissor de luz utilizado, sendo os Diodos Laser superiores aos LED(s), entretanto exigindo maior complexidade na construção do transmissor.

Receptor Ótico: dispositivo fotodetector com circuito eletrônico de amplificação e filtragem, denominado Conversor de Fibra Ótica RX, sendo responsável pela detecção e conversão do sinal luminoso em elétrico. Os fotodetectores são os fotodiodos PIN e os APD(s) ou de avalanche. O circuito eletrônico associado ao fotodetector tem a função de filtrar e amplificar o sinal elétrico convertido.

A qualidade de um receptor ótico é medida pela sua sensitividade, ou potência luminosa mínima necessária, para determinado desempenho em termos de relação sinal-ruído (S/N), ou taxa de erros de transmissão. Além das fontes de ruído associadas aos circuitos eletrônicos (Ripples), afetam o desempenho fontes de ruído características do processo de conversão opto-eletrônico. De um modo geral, os receptores óticos com fotodiodos de avalanche, mais complexos, apresentam desempenho superior aos fotodiodos PIN.

Modulação: Em sistemas de transmissão por Fibras Òticas, a informação é transmitida modulando-se a emissão da portadora luminosa. A modulação da fonte luminosa pode ser feita com sinais elétricos analógicos ou digitais. No caso analógico, a intensidade do feixe luminoso emitido varia continuamente. Já na modulação digital, a intensidade de luz tem variação discreta na forma de pulsos luminosos, tipo on-off.

Os sistemas de transmissão digital utilizam um Conversor TX, onde os sinais oriundos da fonte de dados é codificada para transmissão ótica, e de um Conversor RX, que se encarrega de transformar a informação digital em sinais elétricos. Esta relativa maior complexidade do sistema digital é largamente compensada pelo desempenho superior em termos de capacidade de transmissão (banda passante) e alcance. Ainda, permitem utilizar repetidores e regeneradores de sinal.

Os Sistemas Analógicos apresentam desempenho relativamente inferior frente aos Digitais, limitando sua utilização a distâncias menores e com menor capacidade de transmissão, devido a exigência de maior potencia do sinal-ruído, não usufruindo das vantagens de poder utilizar repetidores e regeneradores de sinal eficazes, encontrando maior dificuldade em obter fontes luminosas que operem linearmente em altas freqüências.

Espectro de Transmissão: As freqüências óticas associadas aos sistemas de comunicações por Fibra Ótica são referenciadas por comprimentos de onda. Dentro de uma faixa espectral, começando na região do infravermelho distante (~100mm), passando pelo espectro visível (390 a 770nm) e terminando no ultravioleta (50nm), as freqüências óticas oferecem possibilidades fantásticas referentes a capacidade de transmissão. Considerando-se apenas a faixa de 10 –10 Hz (100 a 1000 Terahertz), pode-se teoricamente alcançar capacidades de transmissão da ordem 10 vezes superior as dos atuais Sistemas de Micro-Ondas.

Os sistemas de transmissão por Fibras Óticas operam geralmente na Região Espectral de 0,6- 1,6mm, com preferência para Janelas de Transmissão de 0,85mm, 1,3mm e 1,55mm. Nessa Região existem materiais semicondutores (Si, Ge, AlGaAs, InGaAsP, etc.) adequados à fontes luminosas fotodetectoras de melhor desempenho, bem como Fibras Óticas com atenuação muito baixa. É importante observar que estas fronteiras não são estáticas, mas um resultado de contínuos avanços tecnológicos.

Tipos de Sistemas de Fibra Ótica:

• Forma de transmissão: ponto-a–ponto; multiponto
• Tipo de informação: analógica; digital.
• Distância: curta distância ou local; longa distância.
• Técnica de modulação e detecção: direta; coerente.
• Multiplexação: divisão por comprimento de onda (WDM).

Aplicações Típicas

• Conversão de Sinais de Vídeo para Transmissão por Fibra Ótica- converte Sinais Analógicos em Óticos, transmite via Fibra Ótica, recebe os sinais óticos e os reconverte em Analógicos.
• Conversão de Sinais Digitais para Transmissão por Fibra Ótica- converte Sinais Digitais, padrões RS232/485, em Óticos, transmite via Fibra Ótica, recebe os Sinais Óticos e os reconverte em Digitais, padrões RS232/422/485, operando num ou em dois sentidos, dependendo do protocolo e aplicação.
• Conversão de Sinais de Áudio para Transmissão por Fibra Ótica- converte Sinais Analógicos de Áudio em Óticos, transmite via Fibra Ótica, recebe os Sinais Óticos e os reconverte em Sinais Analógicos de Áudio- num único ou ambos os sentidos.
• Conversão de Sinais Ethernet para Transmissão por Fibra Ótica- converte Sinais Padrão Ethernet em Óticos, transmite via Fibra Ótica, recebe os Sinais Óticos e os reconverte em Sinais Padrão Ethernet, permitindo o tráfego nos dois sentidos.
• Conversão de Sinais RS232 em RS485 e vice-versa para transmissão por Fibra Ótica- converte Sinais Digitais Padrões RS232 em RS485, ou RS485 em RS232, os transforma em Óticos, transmite via Fibra Ótica, recebe os Sinais Óticos e os reconverte para Sinais Digitais RS485 ou RS232, a maiores distâncias (1.200 metros).

Emendas Óticas

Acoplamentos e Conexões: consistem na junção de dois ou mais segmentos de Fibras Óticas para prolongar um cabo, mudança de tipo de cabo no transporte da informação, conexão a um equipamento, ou apoiando manobras mecânicas num sistema de cabeamento estruturado. O acoplamento da Fibra Ótica com dispositivos emissores de luz, ou Conversores TX e fotodetectores, ou Conversores RX, em razão da precisão e pequenas dimensões envolvidas, exige o uso de técnicas apuradas, a fim de limitar perdas de acoplamentos ao mínimo. A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibra ótica pode ser realizada de modo permanente, através de emendas, ou temporariamente por meio de conectores mecânicos. As junções multiponto utilizam acopladores de diversos tipos.

Características básicas das emendas:

• Baixa Atenuação: típica de 0,2 à 0,02dB por emenda;
• Alta Estabilidade Mecânica: cerca de 4 kgf de tração.

Referências bibliogáficas e de consulta:
http://www.terra.com.br/reporterterra/fibra/

Galeria de Fotos: Rogério Lorenzoni – Repórter Terra

Livro Fundamentos de Física 4- Óptica e Moderna- Halliday- Renisck-Walker- 4a Edição- LTC

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