Comunicações ópticas
A fibra óptica
Fibra óptica • Quando ouvimos falar sobre comunicação óptica, logo
associamos o assunto ao uso de fibra óptica. • A comunicação utilizando fibra óptica é realizada através do envio de um sinal de luz codificado, dentro do domínio de
frequência do infravermelho, 1012 a 1014 Hertz; • A fibra óptica é um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza.
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Julyana Leite
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Fibra óptica • A fibra óptica é um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza.
Fonte da imagem: http://www.clikeveja.com/wpcontent/uploads/2010/11/fibra-4621.jpg
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Fibra óptica • É tão fino quanto um fio de cabelo, podendo carregar milhares de informações digitais a longas distâncias sem perdas significativas.
Fonte da imagem: http://lucianaweb.com/blog/beleza-esaude/estrutura-capilar/
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Fonte da imagem: http://www.hveragerdi.is/thumb/1600/i mages/sent/533eda8b7b2ea.jpg
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Fonte da imagem: http://cable-jet.com/wp-content/uploads/2013/12/cable-fibra-optica.jpg
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Fibra óptica • Ao redor do filamento existem outras substâncias de menor índice de refração, que fazem com que os raios sejam refletidos internamente, minimizando assim as perdas de transmissão.
Fonte da imagem: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/imagens/010110120206-fibra-optica-eletronica.jpg
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Fonte da imagem: http://www.cianet.ind.br/img/imagens/tecnologias/fibra_optica_estrutura_corte_fibra_optica.jpg
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Aplicação
Fonte da imagem: http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg
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Fibra óptica VANTAGENS • perdas de transmissão baixa e banda passante grande
• pequeno tamanho e peso • imunidade a interferências • isolação elétrica
• dificuldade de conexões das fibras ópticas
• fragilidade das fibras ópticas • impossibilidade de
alimentação remota de repetidores
• não deve ser instalada em
• segurança do sinal
• matéria-prima abundante 25/03/2015
DESVANTAGENS
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ambientes radioativos
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Fibra óptica • Os sistemas de comunicações baseados em fibra ópticos utilizam lasers ou dispositivos emissores de luz (LEDS).
Fonte da imagem: http://laser-shop.cz/img/p/9/7/5/975-large.jpg
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Fonte da imagem: http://thumbs4.ebaystatic.com/m/mwiou_Exvuh3_JthWYu3DpQ/140.jpg
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Fonte da imagem: http://contembits.com.br/imagens/RaioX/Monitores/LED.jpg
Fonte da imagem: http://www.wavespectrumlaser.com/admin/infofiles/files/images/000000117.png
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THE VISIBLE SPECTRUM "WHITE LIGHT"
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 Violet Yellow Red Green Orange
Near Ultraviolet
Visible
(Germicidal and Fluorescent Effects)
First Window
Near Infrared
Second Window
Wavelength in Nanometers
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Third Window
a073.104d S
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Breve Histórico
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Revisão de ótica geométrica
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A natureza da luz • A luz pode ser descrita como uma onda eletromagnética, como as ondas de rádio, radar, raios X, ou microondas, com valores de frequências e comprimentos de onda (λ) distintos que variam de 400nm a 700nm, para luz visível.
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Princípios básicos Os princípios em que se baseia a Óptica Geométrica são três: – Propagação Retilínea da Luz – Independência dos Raios de Luz – Reversibilidade dos Raios de Luz
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Princípios básicos Propagação Retilínea da Luz: Em um meio homogêneo e transparente a luz se propaga em linha reta. Cada uma dessas "retas de luz" é chamada de raio de luz.
Fonte da imagem: http://www.fisicapaidegua.com/teoria/optica/sombramao.jpg
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Princípios básicos Independência dos Raios de Luz: Quando dois raios de luz se cruzam, um não interfere na trajetória do outro, cada um se comportando como se o outro não existisse. Fonte da imagem: http://www.cescage.com.br/ead/adm/shared/fotos/196d1b38ef1bcd137a4 47049e7ad4694.jpg
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Princípios básicos Reversibilidade dos Raios de Luz: Se revertermos o sentido de propagação de um raio de luz ele continua a percorrer a mesma trajetória, em sentido contrário.
Fonte da imagem: http://www.babies.co.nz/ic/327988683/Safety%201st%20Baby%20View%20 Mirror.jpg
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Meios ópticos
TRANSPARENTE Fonte da imagem: http://craft-stop.com/images/glass-vase.jpg
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OPACO
TRANSLÚCIDO Fonte da imagem: http://mlb-s1-p.mlstatic.com/13950MLB196979953_3816-R.jpg
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Fonte da imagem: http://temperclub.com.br/images/img/jateado4.jpg
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Propriedades Óticas do Meio Ao incidir sobre uma superfície que separa dois meios
de propagação, a luz sofre algum, ou mais do que um, dos fenômenos a seguir: – Reflexão – Refração – Absorção
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Reflexão A luz que incide na superfície e retorna ao mesmo meio, regularmente, ou seja, os raios incidentes e refletidos são paralelos. Ocorre em superfícies metálicas bem polidas, como espelhos.
Fonte da imagem: http://1.bp.blogspot.com/2TiJ9VRl4c4/UbJp5xTZLLI/AAAAA AAAALM/vzCuUmfz0aw/s1600/8 f_15_02.jpg
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Refração É o fenômeno que ocorre com a luz ao passar de um meio para outro, durante esta passagem o raio de luz sofre alteração na sua velocidade e direção
Fonte da imagem: http://www.sobiologia.com.br/figuras/ oitava_serie/refracao2.jpg
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Refração
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Refração
Fonte da imagem: http://images.slideplayer.com.br/1/526 21/slides/slide_3.jpg
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Fonte da imagem: http://www.geocities.ws/saladefisica8/optica/refr acao20.jpg
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Fonte da imagem: http://3.bp.blogspot.com/_AX0lXdomqV Y/Sy4YicmJgvI/AAAAAAAAABw/uHZrJqc dt9w/s200/refractus-lapis.jpg
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Absorção A luz incide na superfície, no entanto não é refletida e nem refratada, sendo absorvida pelo corpo, e aquecendo-o. Ocorre em corpos de superfície escura.
ABSORÇÃO
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Leis de Snell LEI DA REFLEXÃO • O raio refletido está contido no plano de incidência, e Ø1’ = Ø2’ (Reflexão)
Fonte da imagem: http://www.aulas-fisica-quimica.com/imagens/8f_15_09.jpg
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Leis de Snell LEI DA REFRAÇÃO • O raio refratado está contido no plano de incidência, e
n1 . sen θ1 = n2 . sen θ2
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Ângulo incidente
θ1 AR (meio 1)
n1
ÁGUA (meio 2)
n2
θ2 Ângulo refratado
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Índice de refração • É a relação que existe entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio. Usado para calcular a diferença entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração. Dado por:
n= c v
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Onde: n= índice de refração ₈ c= velocidade da luz no vácuo C= 3x10 m/s v= velocidade da luz no meio
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Índice de refração
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Substância Ar
Índice de refração 1,00
Água Álcool etílico
1,333 1,362
Acetona Querosene
1,357 1,448
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Reflexão total Na natureza, existem casos em que, dependendo
do ângulo de incidência e do meio pelo qual a luz está vindo, não ocorre a refração, mas somente a reflexão. Esse fenômeno é conhecido como reflexão total.
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Ângulo crítico Pôde-se observar que, a partir de determinado ângulo de incidência, não há mais refração. Esse ângulo é denominado ângulo limite ou ângulo crítico.
Calculado por:
Θc= sen -1 (n2/n1)
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Onde n1
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Abertura Numérica (AN) Define-se como o ângulo formado entre um eixo imaginário E, localizado no centro de
uma Fibra Óptica, e um raio de luz incidente, de tal forma que este consiga sofrer a primeira reflexão, necessária para a luz se propagar ao longo da Fibra 25/03/2015
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Abertura Numérica (AN) Núcleo
Casca
Cone de Aceitação
AN= seno máx = 25/03/2015
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𝒏𝟏𝟐 − 𝒏𝟐𝟐 38
Exercício 1. Uma fibra óptica possui um núcleo com 50µm de diâmetro e índice de refração igual a 1,50. Sua casca tem um diâmetro de 125µm e índice de refração igual a 1,48. Determine o ângulo crítico entre o núcleo e a casca, a abertura numérica e o ângulo máximo de captação na face da fibra.
14,13°
28,26°
Resposta: AN= 14,13° 25/03/2015
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Processos de fabricação OVD, VAD, MCVD, PCVD
Fabricação das fibras ópticas • Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são
sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. • As fibras ópticas fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações.
Fonte da imagem: http://www.desiccantpacks.net/wp-content/uploads/2011/03/silica-gelpackets.jpg
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Fabricação das fibras ópticas • As fibras ópticas fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas características de transmissão (possuem alta
atenuação e baixa largura de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação.
Fone da imagem: http://1.bp.blogspot.com/_opap48c2D4U/TA7eQCv4YrI/AAAAAAAAABQ/8T_SAjNOPSk/s1600/fibra-optica2%5B1%5D.jpg
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Fabricação de fibras de sílica pura • Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra
e a diferença entre eles está na etapa de fabricação da préforma (bastão que contém todas as características da fibra
óptica, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda etapa de fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.
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MCVD • Consiste na deposição de camadas de materiais (vidros especiais)
no interior de um tubo de sílica pura (SiO2). •
O tubo de sílica é o que fará o papel de casca da fibra óptica, enquanto que os materiais que são depositados farão o papel do
núcleo da fibra. • Por esse processo, obtêm-se fibras de boa qualidade porque a reação que ocorre no interior do tubo não tem contato com o meio externo. 25/03/2015
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Fonte da imagem: http://www.fibracem.com.br/ckfinder/images/Esquema%201.png
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PVCD • Ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-
se um plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de micro-ondas para a estimulação dos gases no
interior do tubo de sílica. • Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo, pois a deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade ressoante.
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CAVIDADE RESSONANTE DE MICRO-ONDAS
FORNO ELÉTRICO
TUBO DE SÍLICA
BOMBA DE VÁCUO
FONTES DE GASES
UNIDADE DE COMANDO
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PLASMA NÃO ISOTÉRMICO
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OVD • Este processo baseia-se no crescimento da pré-forma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril.
• Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são depositados no mandril através de camadas sucessivas.
• Nesse processo ocorre a deposição do núcleo e também da casa, e obtêm-se pré-formas de diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais).
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MANDRIL
PRÉ FORMA POROSA QUEIMADOR
FLUXO DE GASES + CLORETO
FORNO ELÉTRICO ≈1500°C
PRÉ FORMA SINTETIZADA
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VAD • A casca e o núcleo são depositados mas no sentido do eixo da
fibra (sentido axial). • Utilizam-se dois queimadores que criam a distribuição de temperatura
desejada
e
também
injetam
(reagentes).
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os
gases
MANDRIL
PRÉ FORMA TRANSPARENTE
FORNO ELÉTRICO
PRÉ FORMA POROSA
QUEIMADOR
FLUXO DE MATERIAIS
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Puxamento • Obtida a pré-forma, por qualquer um dos métodos descritos, esta é levada
a uma estrutura vertical chamada torre de puxamento e é fixada num alimentador que a introduz num
forno. Fonte da imagem: http://4.bp.blogspot.com/_8nq81i5EmSc/SHQFEuGj5QI/AAAAAAAAADM/RN zwwyvExKc/s400/imagem2.JPG
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Classificação das fibras MONOMOMO E MULTIMODO
Classificação de fibras • A classificação mais usada é quanto as características de propagação: – Monomodo (single mode-SM) – Multimodo (multi mode – MM)
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Fibras multimodo (MM) • Foram as primeiras a serem comercializadas;
• Fibras multimodo garantem a emissão de vários sinais ao mesmo tempo (geralmente utilizam LEDs para a emissão); • Esse tipo de fibra é mais recomendado para transmissões de
curtas distâncias, pois garante apenas 300 metros de transmissões sem perdas.
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62.5
125
125
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Fibras monomodo (SM) • Só podem atender a um sinal por vez.
• Uma única fonte de luz (na maior parte das vezes, laser) envia as informações por enormes distâncias; • Apresentam menos dispersão, por isso pode haver distâncias
muito grandes entre retransmissores.
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8-10 µm
125 µm
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Fonte da imagem: http://www.pantojaindustrial.com/uploads/at3.jpg
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Fonte da imagem: http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg
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Proteções dos cabos ópticos KEVLAR, THIGHT, LOOSE, RIBBON, GROOVE
Proteções no cabos ópticos • Ao reunirmos várias fibra em um cabo óptico algumas
proteções são necessárias a fim de proporcionarem resistência mecânica e amparo contra intempéries .
Fonte da imagem: http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg
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Cabos tipo Loose • As fibras são alojadas dentro de um tubo cujo diâmetro é
muito maior que os das fibras; • Dentro deste tubo pode ser aplicado um gel derivado de petróleo para criar isolamento da umidade externa.
Fonte da imagem: http://thumbs.dreamstime.com/z/cabo-de-fibra-%C3%B3ptica-descascado-29373948.jpg
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Cabos tipo Tight • As fibras recebem um revestimento secundário de nylon ou
poliéster; • Após receberem este revestimento, são agrupadas juntas com um elemento de tração que irá dar-lhe resistência mecânica;
Fonte da imagem: http://www.cianet.ind.br/img/imagens/tecnol ogias/fibra_optica_cabo.jpg
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Cabos tipo Groove • As fibras ópticas são acomodadas soltas em uma estrutura interna do tipo ESTRELA; • Esta estrutura apresenta um elemento de tração ou elemento
tensor incorporada em seu interior, a função básica deste elemento é de dar resistência mecânica ao conjunto. ELEMENTO TENSOR
ESPAÇADOR CABO EXTERNO
FIBRA ÓPTICA 25/03/2015
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Cabos tipo Ribbon • 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.
Fonte da imagem http://i01.i.aliimg.com/photo/v0/275475229/Optical_fiber_ribbon.jpg
25/03/2015
Julyana Leite
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Fone da imagem: http://www.curso-fibra-optica.com.br/imgs/curso-fibra-optica/imgs_artigos/tipos_cabos/fibra_optica_ribbon.jpg
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Kevlar • Após o buffer a fibra é protegida por uma malha de fibras
protetoras, composta de fibras de kevlar; • Sua função de evitar que o cabo seja danificado ou partido quando puxado;
Fone da imagem: http://www.clubedohardwa re.com.br/imageview.php?i mage=1033
Fonte da imagem: http://www.latinoseguridad.com/Lat inoSeguridad/SPX/kevlar.jpg
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Janelas de transmissão
Janelas de transmissão • O espectro de transmissão óptico é referenciado em termos de comprimento de onda (λ), diferenciando assim sistemas
ópticos de sistemas eletromagnéticos (micro-ondas); • Das 3 janelas de transmissão mais usadas, a de 850nm é a que apresenta maior atenuação e a de 1550nm, a menor.
• A faixa ao redor de 1400nm não pode ser utilizada devido sua alta atenuação, causada pela absorção do radical -OH (pico d’água). 25/03/2015
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Janelas de Transmissão Baixa Perda
Alto custo
Atenuação da fibra dB
800
1000
1200
1400
1600
850nm
1300/1310nm
1550nm
1ª Janela
2ª Janela
3ª Janela
Comprimento de onda 25/03/2015
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Transmissores e receptores Fontes de luz e fotodetectores
Transmissores • Os transmissores são responsáveis por inserir, nas fibras,
pulsos de luz que transportam informações. • Conhecidos pela sigla TX. • Os mais usados são:
– LED; – LASER; – VCSEL;
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LED • Diodo emissor de luz;
• São usados quase sempre com fibras multimodo; • Possuem baixo Custo • Operam na janela de transmissão de 850 nm;
• Comumente utilizados em sistemas com uma taxa de transmissão relativamente pequena – 155 Mbps;
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LED Vantagens
Desvantagens
Mais simples de serem instalados
Potência óptica menor (sinal mais fraco)
Maior tempo de vida Circuitos Drivers menos complexos Menos sensível a variações nas condições atmosféricas
Largura do espectro maior Chaveamento mais lento
Baixo custo
Pequena taxa de transmissão
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Emissão muito divergente
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LASER • Luz Amplificada pela Emissão Estimulada de Radiação
• Sua luz é direcionada, com pequena divergência, dispersão (espalhamento da luz). • Essa característica, também importante em fibras ópticas,
acarretará um melhor ou pior acoplamento de luz no núcleo da fibra óptica. • Possui uma cavidade óptica (Fabry-Perot) que possibilita a
realimentação de luz gerada, estimulando a emissão.
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ATENÇÃO • NUNCA olhe diretamente para a ponta de uma fibra óptica se
você não souber onde a outra ponta está conectada. Se houver um transmissor ativo, você não verá a luz, mas estará
prejudicando a sua retina, podendo causar graves danos a visão. Infravermelho
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LEDxLASER Características Custo
LED menor
LASER maior
Utilização Largura do espectro
simples larga
complexa estreita
Tempo de vida
maior
menor
Velocidade Divergência na emissão
lento maior
rápido menor
Acoplamento à fibra Sensibilidade a temperatura
pior menor
Melhor maior
Potência óptica
baixa
alta
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VCSEL • Laser de Emissão por superfície de cavidade vertical ;
• É o laser do semicondutor que emite luz em um feixe cilíndrico verticalmente a superfície do wafer onde é fabricado é semelhante ao laser tradicional, porém sua
emissão de luz é similar ao LED
Fonte da imagem: http://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Dateien/N ewsbilder/ULM_VCSEL.jpg
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Fotodetectores • São usados na extremidade da fibra conectada ao receptor,
sendo dispositivos que convertem os sinais luminosos aplicados em corrente elétrica. • Existem dois tipos:
– PIN – APD
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PIN • Independente do tipo de fibra os detectores PIN geralmente
operam na região entre 850 a 1310 µm; Vantagens
Desvantagens
Mais robusto que os detectores APL
Poder de detecção de sinais de baixa potência menos que os detectores APD
Tecnologia e aplicação menos dispendiosa
Tempo de resposta menor que os demais detectores
Menos material semicondutor
A relação sinal / ruído desfavorece este tipo de detector
Vida útil maior que os demais detectores
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APD • Sua principal vantagem é uma elevada relação de sinal-ruído,
especialmente a altas taxas de bits. • Combinam a detecção de sinais ópticos com amplificação (ganho) interna da foto corrente.
• Características: – Pequena taxa de fótons – Alta velocidade de resposta
– Alta sensibilidade 25/03/2015
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PINxAPD Características Sensibilidade Linearidade Relação sinal/ruído Custo Vida útil Tempo de resposta Circuitos de polarização Sensibilidade a temperatura
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PIN menor maior pior baixo maior maior simples menor
APD maior menor melhor alto menor menor complexo maior
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Classificação ISO 11801 OM1, OM2, OM3, OM4, OS1 e OS2
Classificação quanto ao comprimento de onda TIPO DE FIBRA
DIÂMETRO DO NÚCLEO
OM1 (multimodo) OM2 (multimodo)
62,5 µm 50 µm
OM3 (multimodo) OM4 (multimodo)
50 µm 50 µm
OS1 (monomodo) OS2 (monomodo)
9 µm 9 µm
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Referências • http://www.curso-fibra-optica.com.br/artigos/tipos-de-cabo-defibra-optica • http://www.tecnolan.com.br/noticias/fibras-multimodo-om4continua-evolucao/ • http://webdig.com.br/17433/brasil-cabos-submarinossatelites/#ixzz3DU7VoUN5 • http://www.sj.ifsc.edu.br/~mdoniak/SistemasOpticos/Comunicacoe sOpticas_1.pdf • http://www1.rnp.br/newsgen/0203/fibras_opticas.html#ng-8-1 • http://www.linhadetransmissao.com.br/tecnica/fibraoptica_caracte risticas_dispersao.htm • http://www.futurecom.com.br/blog/dicionario-telecom-fttx-paraleigos/
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