Fibra ÓpticaJeferson Scheibler

Lucas Brandalise

Pablo Ruas

Fibra óptica

• Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir luz.

• A transmissão da luz pela fibra: é lançado um feixe de luz em uma extremidade da fibra, e pelas características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra através de consecutivas reflexões.

Componentes da Fibra Óptica

• A fibra possui no mínimo duas camadas: O núcleo e o revestimento

• A transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a uma diferença de índice de refração entre o revestimento e o núcleo, sendo que o núcleo possui sempre um índice de refração mais elevado

• Em muitos casos é utilizado uma capa de cobertura específica para evitar problemas com cortes e esforços mecânicos excessivos.

Componentes da Fibra Óptica

• A estrutura básica desses filamentos são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total.

• Esta característica pode ser conseguida usando-se materiais dielétricos distintos ou através de dopagens convenientes de materiais semicondutores

• As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de índices de refração implicam a existência de diferentes tipos de fibras ópticas com características de transmissão.

Tipos de Fibra Óptica

• As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão, com implicações principalmente na capacidade de transmissão (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectores luminosos

• Pelo modo de propagação, que pode ser dividido em 2 classes principais: Monomodo e Multimodo

Tipos de Fibra Óptica

Monomodo

• Suas dimensões são menores e tem uma maior capacidade de transmissão, é construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição magnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo. utiliza sílica pura e dopada e possui baixa atenuação

Multimodo

• Fibra Multimodo de Índice Degrau: Pode ser de vários materiais como plástico e vidro. Essas fibras são limitadas quanto à transmissão, Atenuação elevada, por isso são utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias.

• Fibra Multimodo de Índice Gradual:

Esse tipo de fibra tem seu núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de refração, os quais tem o objetivo de diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, diminuindo a dispersão do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra óptica.

Fibra óptica de plástico

• É uma fibra óptica de multimodo degrau com núcleo grande, geralmente 1 mm. Suas características possibilitam melhor manuseio e acoplamento de conectores sem que seja necessário grande precisão.

• Possuem uma performance muito mais baixa que as fibras de vidro, apresentam uma perda de 0,15 a 0,20 dB por metro a 650 nm e sua largura de banda é limitada.

• Sua grande vantagem é o baixo custo, ao passo que a sua desvantagem é a enorme perda na transmissão e a não tão boa eficiência em altas temperaturas.

Tipos de Fibra Óptica

Espectro de utilização

Fontes ópticas

Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que podem ser utilizadas: LED e LASER. Cada um destes dois tipos de fontes oferecem certas vantagens e desvantagens:

• Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se comparados com os leds: LED da ordem de -7 a -14dBm e LASER da ordem de 1dBm.

• Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que proporciona menor dispersão material.

• Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

• Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.

• Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à temperatura.

• Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.

Receptores Ópticos

• Após o tráfego das informações na fibra óptica o sinal tem que ser convertido de sinal ótico para sinal elétrico, para isso utiliza-se os receptores óticos ou fotodetectores. Os fotodetectores mais utilizados são os fotodiodos, e os mais comuns são PIN e APD.

Princípios de funcionamento

• A luz é injetada por um emissor em ângulos próximos da reflexão total. Em sistemas multimodo o núcleo possui diâmetro de 62,5 micrômetros e opera com emissores do tipo LED, provocando um espalhamento da luz em diversos caminhos. Em sistema monomodo, o núcleo tem diâmetro de 9 micrômetros e opera com emissores a laser fazendo com que a luz percorra a fibra em um único sentido.

Princípios de funcionamento

Características de transmissão

• Atenuação:A atenuação (ou as perdas de transmissão) de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua saída. Os mecanismos básicos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas são os seguintes:

Absorção Espalhamento Curvaturas Projeto do guia de onda

Também deve-se levar em conta as perdas causadas por emendas e conexões.Para uma fibra óptica típica existem três comprimentos de onda utilizados para transmissão:

850 nm 1300 nm 1550 nm

Perdas por absorção

• Absorção intrínseca:Este tipo de absorção depende do material usado na composição da fibra e constitui-se no principal fator físico definindo a transparência de um material de numa região espectral especificada.

• Absorção extrínseca:

A absorção extrínseca resulta da contaminação de impurezas que o material da fibra experimenta durante seu processo de fabricação.

• Absorção por efeitos estruturais:A absorção por defeitos estruturais resulta do fato de a composição do material da fibra estar sujeita a imperfeições, tais como, por exemplo, a falta de moléculas ou a existência de defeitos do oxigênio na estrutura do vidro.

Perdas por espalhamento

É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação e várias direções. Existem alguns tipos de espalhamento:

• Espalhamento Rayleigh:Está sempre presente devido à existência de não homogeneidades microscópicas de dimensões menores do que o comprimento de onda, tais como flutuações de comprimento, flutuações térmicas, separação de fase, pressão e pequenas bolhas.

• Espalhamento Mie:Este espalhamento é verificado quando as imperfeições que causam o espalhamento citado anteriormente forem de dimensões comparáveis com o comprimento de onda guiado e principalmente quando houver sinuosamente do eixo da fibra.

• Espalhamento Raman e Brillouin Estimulados:Estes espalhamentos são efeitos não lineares, causados quando a intensidade de campo na fibra for muito alta.

Perdas por curvatura

• As fibras ópticas estão sujeitas a perdas de transmissão quando submetidas a curvaturas que podem ser classificadas em dois tipos:

• Curvaturas cujos raios de curvatura são grandes comparados com o diâmetro da fibra (ocorrem por exemplo, quando um cabo óptico dobra um canto ou uma esquina).

• Curvaturas microscópicas aleatórias do eixo da fibra cujos raios de curvatura são próximos ao raio do núcleo da fibra (ocorrem quando as fibras são incorporadas em cabos ópticos).

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Fibra monomodo @ 1550 nm: Rc »15mm

Perdas de projeto do guia de onda

• A potência que se propaga numa fibra óptica não está totalmente confinado no núcleo. A parte de potência luminosa que se propaga na casca é atenuada pelas características de atenuação da casca da fibra óptica. É importante, no projeto de uma fibra óptica com baixas perdas, considerar as seguintes alternativas:

Garantir que a maior parte da potência luminosa seja confinada no núcleo da fibra.

Utilizar uma casca com espessura adequada e composta por um material com perdas comparáveis às do material do núcleo.

Dispersão

São diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam a energia luminosa, tem por efeito a distorção dos sinais transmitidos Os tipos de dispersão que predominam nas fibras são:

• Dispersão modal:Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação que a luz pode ter no núcleo.

• Dispersão material:Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem uma certa largura espectral finita, temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto.

• Dispersão de guia de onda:É provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de onda da luz.

Fibra Multimodo de Índice Degrau

Vantagens

• Ausência de diafonia: (linha cruzada) - As fibras ópticas não causam interferência entre si.

• Banda passante potencialmente enorme - A transmissão em fibras ópticas Tem uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo 10.000 vezes superior à capacidade dos atuais sistemas de microondas.

• Perdas de transmissão muito baixas – Como possuem atenuação entre 3 e 5 dB/km para operação na região de 1550 nm, as fibras ópticas apresentam atualmente perdas de transmissão extremamente baixas. Desse modo, com fibras ópticas e com a tecnologia de amplificadores ópticos, utilizando amplificadores e não tendo que utilizar repetidores.

• Imunidade a interferência e ao ruído - por serem feitas de material dielétrico, as fibras ópticas são totalmente imunes a ruídos em geral e interferências eletromagnéticas.

• Isolação elétrica - O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõe a fibra óptica oferece uma excelente isolação elétrica entre os transceptores ou estações interligadas, não tem problemas com o aterramento e interfaces dos transceptores.

Vantagens

• Pequenas dimensões e baixo peso - O volume e o peso dos cabos ópticos é muito inferior ao dos cabos convencionais em cobre, para transportar a mesma quantidade de informações, facilitando o  manuseio e a instalação dos cabos.

• Segurança da informação e do sistema - Qualquer tentativa captação de mensagens ao longo de uma fibra óptica é facilmente detectada, pois exige o desvio de uma porção considerável de potência luminosa transmitida.

• Flexibilidade na expansão da capacidade dos sistemas - Os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ter sua capacidade de transmissão aumentada gradualmente.

• Custos potencialmente baixos – Para pequenas distâncias o valor ainda é elevado, mas para as distâncias mais longa compensa pela não utilização de repetidores.

• Alta resistência a agentes químicos e variações de temperaturas - As fibras ópticas tem uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua utilização em diversas aplicações e são menos vulneráveis à ação de líquidos e gases corrosivos.

Desvantagens

• Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos - O manuseio de uma fibra óptica "nua" é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos.

• Dificuldade de conexão das fibras ópticas - As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões e junções.

• Acopladores tipo T com perdas muito altas - É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de perdas.

• Impossibilidade de alimentação remota de repetidores - Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor.

• Falta de padronização dos componentes ópticos - A relativa imaturidade e o contínuo avanço tecnológico não tem facilitado o estabelecimento de padrões para os componentes de sistemas de transmissão por fibras ópticas.

Janelas de transmissão

São regiões de atenuação mínima, centradas nos comprimentos de onda de 850nm, 1300nm e 1550nm.

• 850 nm com atenuação típica de 3 dB/km

• 1300 nm com atenuação típica de 0,8 dB/km

• 1550 nm com atenuação típica de 0,2 dB/km

Instalação

Os Cabos óticos necessitam cuidados especiais para instalação, pois as fibras são materiais frágeis e quebradiços. Devemos observar que:

• O cabo não deve sofrer curvaturas acentuadas, o que pode provocar quebra das fibras em seu interior.

• O cabo não deve ser tracionado pelas fibras, e sim pelos elementos de tração ou aço do cabo.

• A velocidade do puxamento não pode ser elevada..• Não se deve exceder a máxima tensão de puxamento especificada

para o cabo.• O cabo deve ser limpo e lubrificado, a fim de diminuir o atrito de

tracionamento.• Puxa-se o cabo com um destorcedor, para permitir uma

acomodação natural do cabo no interior do duto ou canalização.

Aplicações da Fibra Óptica

• Um sistema básico de telecomunicações é constituído de um transmissor , onde a informação é codificada , um meio de transmissão e um receptor , que decodifica ou reconstitui a informação original.

• Todos os sistemas de transmissão e recepção de dados funcionam de forma similar ao esquema abaixo.

Rede Telefônica

• Os sistemas troncos exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e as fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.

• A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas minimizam os custos por circuito telefônico, oferecendo vantagens econômicas significativas.

Cabos Submarinos

• Os cabos submarinos convencionais, estão limitados a espaçamentos máximos entre repetidores da ordem de 5 a 10 km.

• As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 1300nm, permitem atualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 1500 nm, pode-se alcançar até 100 km sem repetidores.

Cabos Submarinos

Cabos Submarinos

Cabos Submarinos

Name Region Date km

Americas-1 South (S1 & S4) Caribbean 1994 6014

Americas-1 South (S2 & S4) Caribbean 1994 6014

Americas-1 South (S3) Caribbean 1994 6014

UNISUR Atlantic 1995 1714

Brazil Domestic Festoon (Aracaju - Sitio) Atlantic 1996 200

Brazil Domestic Festoon (Campos - Vitoria) Atlantic 1996 200

Brazil Domestic Festoon (Joao Pessoa - Recife) Atlantic 1996 200

Brazil Domestic Festoon (Macae - Campos) Atlantic 1996 200

Brazil Domestic Festoon (Maceio - Aracaju) Atlantic 1996 227

Brazil Domestic Festoon (Natal - Joao Pessoa) Atlantic 1996 223

Brazil Domestic Festoon (Porto Seguro - Ilheus) Atlantic 1996 100

Brazil Domestic Festoon (Recife - Maceio) Atlantic 1996 300

Brazil Domestic Festoon (Rio de Janeiro - Macae) Atlantic 1996 252

Brazil Domestic Festoon (Salvador - Ilheus) Atlantic 1996 150

Brazil Domestic Festoon (Sitio - Salvador) Atlantic 1996 200

Brazil Domestic Festoon (Vitoria - San Mateus) Atlantic 1996 300

Atlantis-2 Trans-Atlantic 1999 12000

Americas-2 (S1-S11) Latin America 2000 8300

360 Americas / Atlantica-1 (Central Ring) Latin America 2001 0

360 Americas / Atlantica-1 (South) Latin America 2001 2200

SAm-1 (Segment A) Latin America 2001 2155

SAm-1 (Segment G) Latin America 2001 4386

SAm-1 (Segments B, C, D, E, F) Latin America 2001 4615

Medicina

• Confecção de endoscópios com feixes de Fibras Ópticas para iluminação;

• Uso de Fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser, como: Cirurgias de descolamento de retina; Desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traquéia); Desobstrução de vias venosas (“limpeza” de canais arteriais, evitando pontes de safena);

• Uso odontológico

Telecomunicações

• A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um repetidor.

Repetidor

TV a cabo

• As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga.

Sensores

• Os sensores a fibras ópticos são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ou superiores aos similares convencionais. São usadas tanto fibras monomodo como multimodo. Existem muitos sensores comerciais feitos com fibras ópticas, para medição de temperatura, pressão, rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc...

Sistemas de Energia

• Em sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e os sistemas de transporte ferroviário. Possuem serviços de telemetria, supervisão e controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de alguns quilômetros ao longo de linhas de transmissão ou linhas férreas. O uso de fibras ópticas é atraente em função de suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação elétrica e baixas perdas.

Uso militar

• A fibra óptica é usada desde a simples substituição dos cabos de comunicação até aplicações específicas envolvendo sistemas de navegação e controle de mísseis ou torpedos guiados por cabo.

• Uma aplicação específica das fibras ópticas no domínio militar é a

dos mísseis teleguiados por cabo.

Outras aplicações

• Fibra óptica em uso decorativo• Veículos motorizados, aeronaves, navios, instrumentos, etc. • Rede digital de serviços integrados (RSDI): rede local de

assinantes, isto é, a rede física interligando os assinantes à central telefônica local.

• Redes de transmissão de dados,• Interligação de circuitos dentro de equipamentos,• Aplicações de controle em geral ( fábricas, maquinários), sistemas

de telemetria e supervisão em controle de processos.

Uso Decorativo