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:: Fibras Ópticas

Cleiton Ferreira em 5/01/2013

Introdução

Nesse artigo são apresentados informações sobre o surgimento e as características das fibras ópticas. São apresentadas a origem e a construção de cabos de Fibra Óptica, bem como os materiais e ferramentas para o manuseio desses cabos. Apresentam-se também as formas de conexão (emendas) e os tipos de fibras, além de apresentar as vantagens e desvantagens da utilização das Fibras Ópticas. Os critérios técnicos mencionados nesse artigo estão baseados na ANSI/TIA/EIA/568-B.3 - "Optical Fiber Cabling Components Standard" utilizando cabos de Fibras Multímodo (50/125µm e 62,5/125µm) e cabos Monomodo.

Narinder Singh Kapany

Narinder, nascido em 12 de outubro de 1926, é o Físico indiano inventor dos cabos de Fibra Óptica. Nascido na cidade de Moga, no estado do Punjab. Fez pós-graduação do Departamento de Física no Imperial College, em Londres e pós-graduação da Universidade de Agra, na Índia. Retirou seu Ph.D. na Universidade de Londres. Em 2009, Charles Kao e Narinder dividiram o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho em Fibras Ópticas. Já em 1952, provou que a luz poderia atravessar um túnel pelo qual poderia atravessa-lo em curva;

Origem das Fibras Ópticas

Eleita para substituir os fios de cobre e as redes de micro-ondas, a Fibra Óptica passou por estágios de geração de conhecimento desde 600 AC – Sistema de comunicação visual através de sinais de fogo e estações (humanas) repetidoras. Com os feitos do século XIX: 1870 – O fenômeno de guiamento de luz através de múltiplas reflexões e 1880 – Invenção do Photophone por Alexander Graham Bell caminhou-se para que no século XX culmina-se no aparecimento da fibra conforme: 1930 – As primeiras experiências de transmissão de luz em fibra de sílica; 1951 – Transmissão de imagens através de feixes de fibras em curta distância (alguns metros – medicina), 1958 – O protótipo de Fibra óptica; 1960 - Invenção do Laser, 1966 - Fibra com atenuação de 2.000dB/Km e 1970 - Fibra com atenuação 20dB/Km.

Um grande marco foi em 1970, na empresa Corning(EUA) cientistas conseguiram transmitir a luz sem grande perda e com baixo calor, dois problemas que permeavam a Fibra Óptica da época.


Cabos Submarinos de Fibra Óptica
Fonte: http://meiobit.com/97771/cabos-submarinos-um-mal-necessrio

Sob o oceano, o primeiro cabo submarino de Fibra Óptica foi implantado em 1982 nas Ilhas Canárias e mais tarde em 1988 foi construído o cabo que liga os EUA (Tuckerton, NJ) à Europa (Widemouth na Inglaterra e Penmarch na França) em uma distância superior a 7.500 km. Atualmente os cabos submarinos de Fibra Óptica estão interligando todos os continentes habitáveis conforme a imagem acima.

Na Inglaterra, desde 1987, opera um sistema com cabo óptico submarino, interconectando Dartmouth à ilha de Guernsey no Canal da Mancha, numa distância de 135 km sem repetidores.

Fibra Óptica no Brasil

A primeira Fibra Óptica puxada no Brasil foi em abril de 1977, localizada em uma torre de dois metros de altura no Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp.

O que é uma Fibra Óptica?

A Fibra Óptica é um material polimérico ou de vidro com capacidade de transmitir luz. É um fenômeno físico denominado  reflexão total da luz, ela deve sair de um meio mais  refringente para um meio menos refringente e o ângulo de incidência deve ser igual ou maior do que o ângulo limite (também chamado  ângulo de Brewster), conforme figura abaixo.

Ângulo de Brewster (também conhecido como ângulo de polarização) é um  ângulo de incidência para o qual os raios refletidos e os refratados são perpendiculares entre si.


Ângulo de Brewster
Fonte: http://www.seara.ufc.br/sugestoes/fisica/oti16.htm

 

Estrutura Interna

Conforme figura abaixo, o cabo de Fibra Óptica possui geralmente cinco partes: proteção plástica, fibra de fortalecimento, revestimento interno camada de refração e núcleo.

A Proteção Plástica é uma proteção externa, para evitar que o desgaste natural ou as situações anômalas do tempo representem interferências no sistema. A Fibra de Fortalecimento protege a fibra de vidro de quebras que podem acontecer em situações de torção do cabo ou impactos no transporte. O Revestimento Interno (Coating) isola todos os impactos externos e também evita que a luz natural atinja as fibras de vidro internas, o que poderia resultar em interferências muito fortes em qualquer que seja o sinal. A Camada de Refração (Cadding) parte mais importante do processo de transmissão de luz, é responsável pela propagação de todos os feixes de luz. O Núcleo (Core) é o local onde ocorre a transmissão dos pulsos de luz.

Modelo Físico das Partes de uma Fibra Óptica
Fonte:  http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg

 

Tipos de Fibras Ópticas

As Fibras Ópticas possuem dois tipos básicos: as fibras Modo Único (Monomodo) e as fibras Modo Múltiplo (Multímodo) conforme figura abaixo.

As Fibras de Modo Único (SMF – Single Modo Fiber) – Monomodo - necessitam apenas um sinal de luz, pois possuem uma maior banda passante e menor dispersão Com uma menor dimensão (menor que 10 mícron), geralmente usa-se lazer para emissão da luz. Exemplos: Single Mode (SM - G.652 ITU-T), Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T), Non Zero Dispersion, (NZD - G.655 ITU-T), Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T).

As Fibras de Modo Múltiplo (MMF – Multiple Mode Fiber) - Multímodo (50/12µm e 62,5/125 µm) - permitem a utilização de LED para emissão de luz e necessita de pouca precisão nos conectores para junções e extensões. Esta fibra é utilizada em curtas distâncias e utiliza tamanhos entre 50 e 300 sem perda de dados.


Tipos de Fibras Ópticas – Monomodo e Multímodo
Fonte:  http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg

 

Processo de Construção

MCVD - Modificated Chemical Vapour Deposition: Segundo [CKS] o processo inclui as fases de introdução de um  córrego que se deslocam de uma  mistura de  vapor, incluindo pelo menos um precursor de formação de compostos de  vidro. Juntamente com um  oxidante médio em um  tubo, gerando ao mesmo tempo, um  hidrogênio livre de  plasma isotérmico sobre uma superfície exterior do tubo de  reagir a produzir um  hialino, após misturar e depositar em uma superfície interior do tubo. O método utiliza uma  tocha de  plasma ou um  forno de  rádio freqüência.

VAD - Vapor-Phase Axial Deposition: Segundo [PDR], o processo VAD é atualmente considerado o processo mais avançado de deposição de pré-forma para fibras ópticas, e especialmente para fibras monomodo, que operam no comprimento de onda   λ = 1.35 e 1.55 µm. Este processo é constituído por três etapas: 1) deposição do “soot” (pré-forma porosa), 2) desidratação ou “dehydration” para a redução ou eliminação do OH, 3) consolidação em forno elétrico para o fechamento e colapsamento dos poros formando a pré-forma transparente. Porém, para esta pré-forma transparente chegar ao produto final, a fibra óptica, os processos subsequentes são: o enjaquetamento e o puxamento da fibra.

OVD - Outside Vapor Deposition - Segundo [OVD], na técnica conhecida como deposição externa de vapor OVD, a nuvem química que forma as partículas de  vidro é depositada sobre uma haste e não no interior de um tubo de  sílica.

 

Tipos de Cabos

Conforme [SAU], existem basicamente quatro tipos de cabos de Fibras Ópticas: Loose, Tight, Groove e Ribbon.

Loose - Em uma estrutura do tipo LOOSE as fibras são alojadas dentro de um tubo cujo diâmetro é muito maior que os das fibras, isto por si só isola as fibras das tensões externas presentes no cabo tais como tração, flexão ou variações de temperatura. Ainda dentro deste tubo é aplicado um gel derivado de petróleo para criar isolamento da umidade externa.

Tight - Neste tipo de estrutura, as fibras recebem um revestimento secundário de nylon ou poliéster. As fibras após receberem este revestimento, são agrupadas juntas com um elemento de tração que irá dar-lhe resistência mecânica, sobre este conjunto é aplicado um revestimento externo que irá proteger o cabo contra danos físicos.

Groove - Em uma estrutura tipo GROOVE as fibras ópticas são acomodadas soltas em uma estrutura interna do tipo ESTRELA. Esta estrutura apresenta ainda um elemento de tração ou elemento tensor incorporado em seu interior, à função básica deste elemento é de dar resistência mecânica ao conjunto. Uma estrutura deste tipo permite um número muito maior de fibras por cabo.

Ribbon - Este tipo de estrutura é derivada da estrutura tipo GROOVE, nestes cabos as fibras são agrupadas horizontalmente e envolvidas por uma camada de plástico, tornando-se um conjunto compacto. Estes conjuntos são alojados nas ranhuras das estruturas estrelares do cabo tipo groove. Essa configuração é utilizada em aplicações em que é necessário um número muito grande de fibras ópticas (4.000 fibras).

 

Tipos de Emendas

Óptica por Fusão - O processo consiste em "fundir" uma fibra óptica à outra. Para que seja possível a fusão das fibras é necessária a utilização de uma "Máquina de Emenda Óptica"

Óptica Mecânica - Este processo consiste em alinhar duas fibras através do uso de um tipo de "luva" especialmente desenvolvida para tal finalidade, a qual mantém estas fibras posicionadas frente a frente, sem uni-las definitivamente. O custo de investimento em materiais para a operação deste tipo de processo é relativamente reduzido, porém não é aconselhável em sistemas que exijam uma grande confiabilidade.

Óptica por Conectorização - Este processo é bem semelhante ao processo de Emenda Mecânica, onde duas fibras devem ser alinhadas. Entretanto, em cada fibra é colocado um conector óptico e estes dois conectores são encaixados em um acoplador óptico de modo a tornar possível o alinhamento entre as fibras, sem uni-las definitivamente. Este processo é o menos aconselhável de todos, já que apesar do custo mais reduzido é o que demanda maior tempo para realização.

 

Status da Fibra Óptica

Vantagens:

  • Totalmente imune a  interferências eletromagnéticas e ruídos; Os dados não serão corrompidos durante a transmissão; Não conduz  corrente elétrica;
  • Tamanho reduzido em relação a outros cabos; Capacidade elevada de transmissão (largura de banda);
  • Espaçamento grande entre os repetidores devido à baixa atenuação; Sem risco de fogo ou centelhamento.

Desvantagens

  • Custo de implementação;
  • Custo de construção;
  • Fragilidade das fibras sem encapsulamento;
  • Problemas de perda de dados em conexões (principalmente tipo T)

Aplicação

Atualmente o cabeamento utilizando fibras ópticas estão nos  sistemas telefônicos, de  vídeo  conferência, redes locais  (LANs), interligação de prédios; conectividade entre empresas e Redes Metropolitanas, conexão em alta velocidade entre usuários (finais) e provedores de Internet, links redundantes, tráfego telefônico entre torres de transmissão de telefonia celular e a rede pública, ambientes hostis, ambientes com alto nível de interferência eletromagnética, links com necessidade de segurança no tráfego das informações entre outras aplicações.

Conexão

As figuras abaixo apresentam os principais conectores de Fibra Ópticas vendidos no mercado atualmente.
D4 / SC Duplex / SMA

 

ST / LC / MTP

MTRJ / VOLITION / E2000

ESCON / FC / FDDI

BICONIC / SC

 

Os conversores de mídia convertem uma Fibra Óptica em outra tecnologia de transmissão. Por exemplo, no modelo da figura abaixo, a entrada é ST e a saída é de conexão RJ45 utilizada em cabos de par trançado.


 

 

Fiber Channel

O Fiber Channel é a tecnologia da camada de enlace predominante de armazenamento em rede (Storage Area Networks, SANs) com interfaces que atingem velocidades acima de 100mbps. Ela surgiu como tecnologia substituinte dos discos SCSI (Small Computer System Interface) para backup, recuperação de dados e espelhamento (mirroring), graças ao seu menor custo e à sua capacidade de cobrir maiores distâncias. O Fiber Channel pode ser carregado diretamente sobre a camada óptica utilizando-se o DWDM (Wavelength Division Multiplexing).

Velocidade de Tráfego

Na tabela abaixo, são listadas a janela (nm), a distância máxima(m) e a velocidade de seis fibras multiponto 62,5/125 µm, duas fibras multiponto 50/125µm e três fibras do tipo monomodo.

 

Bibliografia

Sites pesquisados (20/12/2012 a 30/12/2012)

http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_ansi_tia_eia_568b.php;  http://pt.wikipedia.org/wiki/Narinder_Singh_Kapanyhttp://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%82ngulo_de_Brewster;  
http://super.abril.com.br/tecnologia/fibra-otica-439075.shtml
;  
http://www.terra.com.br/reporterterra/fibra/capa.htm
; http://www.cosif.com.br/publica.asp?arquivo=20120421fibraoptica;
http://www.zun.com.br/fibra-optica-o-que-e
http://www.gare.co.uk/technology_watch/fibre.htm
;

GIOZZA, William F., CONFORTI, Evandro, WALDMAN, Hélio. Fibras Ópticas - Tecnologia e Projeto de Sistemas. Makron Books - MacGraw-Hill. Rio de Janeiro. 734p;

WIRTH, Almir. Fibras ópticas: Teoria e Prática. Rio de Janeiro: Alta Books, 2002;

TORRES, Gabriel. Redes de Computadores Curso Completo. Rio de Janeiro, Axcel, 2001.

Referências

[CKS] SUZUKI, Carlos K.  Pré formas de sílica para Fibra Óptica. Invenções com Depósitos de Patentes Junto ao INPI. Rede de Tecnologia & Inovação do Rio de Janeiro. Página visitada em 10 de agosto de 2012;

[OVD]  http://pt.wikipedia.org/wiki/OVD;

[PDR]  http://pontoderedes.blogspot.com.br/2012/09/processo-de-criacao-da-fibra-optica.html;

[SAU] http://www.sj.ifsc.edu.br/~saul/sistemasopticos/comunicacoes opticasII.PDF.

 
 

Cleiton Ferreira

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