Thursday, 14 December 2017
Artigo: Conceitos de Fibra Óptica
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.

Características Básicas das Fibras Óticas

 
Imunidade Eletromagnética e Dielétrica- constituídas de materiais dielétricos, vidro e plástico, são imunes a surtos atmosféricos, interferências eletromagnéticas, surtos de tensão e corrente, protegendo os sinais e equipamentos conectados. Maior Banda de Transmissão- a capacidade de transmissão limita-se a freqüência da portadora. Com sinais de luz, em teoria, é possível operar em banda base de uma ou duas ordens de grandeza abaixo da freqüência da luz, em torno de 200THz. Equipamentos modernos tem taxas de transmissão na ordem de 2,5GB/s em cada comprimento de onda, podendo ser alocados até 18 comprimentos de onda em uma única Fibra Ótica.  
Dimensões Reduzidas- seus Núcleos são medidos em microns- milésima parte do milímetro. Comparadas com Cabos Metálicos, chegam a ter menos de um décimo do seu volume.
Segurança na transmissão- “grampo” em Cabo de Fibra Ótica é facilmente detectado, devido ao desvio de uma porção considerável da potencia luminosa. Também, Fibras Óticas não são localizáveis por detectores eletromagnéticos ou de metal.  

 

Tipos de Fibras Óticas

A banda passante de uma Fibra Òtica é função, além de seu comprimento, de sua geometria e perfil de índices de refração.
Monomodo- possuem um único modo de propagação- o axial, sendo a transmissão do sinal de luz realizada por um único caminho. Por possuírem grande capacidade de transmissão, são utilizada em redes com muito altas taxas de dados, como CFTD- Circuito Fechado de TV Digital ou Telefonia de longa distância. Cobrem distâncias superiores a 4 Km. Multimodo- possuem dois modos de propagação, em função dos índices de refração da Casca em relação ao Núcleo: Step Index (a luz incide e reflete em ângulo) e Graded Index (a luz segue caminho com angulo menos acentuado), portanto com banda passante superior. Utilizados para cobrir distâncias de até 4 Km.

 

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

 

Porque Fibra Ótica ?

As enormes taxas de transferência de dados, até 40 Gbps, a tornam especialmente úteis nas transferências de imagens de vídeo, dados, áudio, etc. Pequeno tamanho e peso, dimensões comparáveis às de um fio de cabelo humano. Mesmo com o encapsulamento de proteção, o diâmetro e peso dos Cabos Óticos é muito menor se comparado aos Cabos Metálicos. Um Cabo Ótico de 6,3 mm de diâmetro, com uma única fibra de diâmetro 125 um e encapsulamento plástico, substitui em termos de capacidade um Cabo de 7,6cm de diâmetro, com 900 pares metálicos. Em termos de peso, um Cabo Metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por 3,6 quilos de Cabo de Fibra Ótica. A grande diminuição do diâmetro e peso dos Cabos de Fibra Ótica permite reduzir tubulações e dutos de passagem nos subsolos de cidades e em edifícios fabris e comerciais. Os Cabos Óticos também oferecem vantagens em temos de armazenamento, transporte, manuseio e instalação.
Em ambiente de Rede Local, Links Óticos possibilitam aplicações a longas distâncias. Em ambiente de Rede Remota, permitem atravessar continentes inteiros, utilizando Lasers de alta potência.
Por transmitir luz, é imune a interferências eletromagnéticas e radiofrequências, podendo os sinais trafegarem sem degradação muitos quilômetros.
Indicada para ambientes sensíveis ou explosivos, por não ter metais condutores em sua composição física, são eletricamente inertes e relativamente resistente a corrosão.

 

Pontos a Ponderar

Fragilidade no manuseio das Fibras Óticas sem encapsulamento, ou com proteção inconveniente; Acopladores tipo T com perdas muito altas, por exemplo na utilização de Fibras Óticas em sistemas multiponto.
Maior dificuldade na conexão ou junção de Fibras Óticas, pois suas pequenas dimensões e materiais utilizados exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão, com maiores cuidados no manuseio. Impossibilidade de alimentação remota de repetidores, requerendo alimentação elétrica independente, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.

Falta de padronização dos componentes óticos

Necessidade de projeto detalhado e instaladores especializados

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:

 

Aplicações Típicas

 

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:

 

Tipos de Emendas

Emenda Ótica por Fusão

Emenda Ótica Mecânica por Conectorização

Duas Fibras Óticas são polidas em suas extremidades e fundidas entre si, através de uma descarga elétrica produzida pelo equipamento de fusão, apresentando menor atenuação do sinal.

Duas Fibras Óticas são polidas em suas extremidades e unidas entre si por Conector Ótico Mecânico, apresentando maior atenuação do sinal.

Etapas da Limpeza:

  • Decapagem;
  • Clivagem;
  • Inserção do protetor de emenda, “Tubete Termo Contrátil”;
  • Colocação das fibras no V Groove da máquina de fusão;
  • Aproximação das fibras até cerca de 1µm;
  • Fusão através de arco voltaíco;
  • Colocação do protetor e aquecimento.
Etapas da Limpeza:

  • Limpeza;
  • Decapagem;
  • Clivagem;
  • Inserção de cada extremidade da fibra no conector;
  • Verificação da correta posição das fibras;
  • Fechamento do conector.

 

Processos de Emendas

Limpeza

Decapagem

Clivagem

  • Remoção da capa do cabo;
  • Remoção do tubo Loose;
  • Remoção do gel com uso de álcool isopropílico, utilizando-se algodão, lenços de papel ou gaze.
  • Remoção do revestimento externo de acrilato da fibra;
  • Limpeza da fibra com álcool isopropílico;
  • Repetição do processo até que todo o revestimento externo da fibra seja removido.
  • Corte perpendicular das extremidades das fibras, em ângulo de 90º, produzindo faces paralelas para perfeita emenda. A clivagem utiliza equipamento que risca a fibra, analogamente ao corte de vidro. As operações são:
  • Clivagem da fibra;
  • Limpeza das extremidades com álcool isopropÍlico.

 

Fatores para Atenuação de Sinais em Fibras Óticas

  

Qualidade de Fabricação da Fibra Ótica

 

Processo de Emenda

Fatores Reflexivos

  • Variação do diâmetro do núcleo (especialmente crítica para fibras monomodo);
  • Diferença de perfil;
  • Elipticidade ou Excentricidade do núcleo ou casca.
  • Precisão no alinhamento das fibras a serem emendadas;
  • Qualidade no preparo do corte e das terminações da fibra;
  • Espaçamento entre as extremidades das fibras;
  • Contaminação ambiental.
  • Advém das emendas, podendo produzir reflexos de luz internos, atenuando sinais.
  • Com adequados equipamentos empregados nas emendas e boa qualidade da fibra ótica, esta atenuação é inferior a 50dB.

 

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

 

Veja CONVERSORES PARA PAR TRANÇADO aqui.


Ultima atualização: 28/01/2013 - 0 Comentários
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