ANHANGUERA EDUCACIONAL

CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE CAMPO GRANDE – UNIDADE II

CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO, ENGENHARIA

MECÂNICA E ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

DAVID ADILSON MARTINS DANIEL RA: 9092486031

JULIANA DE OLIVEIRA ANDREANI RA:9336640285

LUCIO ALVES MARTINS RA:2476291502

LUIZ

MARCELO ALVES NAMBA RA: 2473287068

REINALDO ABREU DE ANDRADE RA: 2460234888

FIBRAS ÓPTICAS: História no Brasil e Aplicações.

CAMPO GRANDE – MS

2016

DAVID ADILSON MARTINS DANIEL RA: 9092486031

JULIANA DE OLIVEIRA ANDREANI RA:9336640285

LUCIO ALVES MARTINS RA:2476291502

LUIZ

MARCELO ALVES NAMBA RA: 2473287068

REINALDO ABREU DE ANDRADE RA: 2460234888

FIBRAS ÓPTICAS: História no Brasil e Aplicações.

Trabalho apresentado para obtenção de nota

integral da disciplina de Engenharia e Profissão,

1° semestre, dos cursos de Engenharia de

Controle e Automação, Engenharia Mecânica e

Engenharia de Produção, do Centro Universitário

Anhanguera de Campo Grande, unidade II, sob

a orientação do Prof. Especialista Djair Mansilha.

CAMPO GRANDE – MS

2016

RESUMO

Pode dizer-se que a cada dia que passa a quantidade de informação que se encontra na rede das redes é maior ou igual que o número de pessoas que se conectam, e cada vez mais os usuários desejam ter serviços que necessitam uma maior velocidade de transferência de dados, como conversações de voz e vídeo, fazer download’s de grandes arquivos, etc. Assim, terá sido necessária a criação de um novo meio para a transmissão de informação, capaz de transferir dados de uma maneira mais eficaz, rápida e acessível para um grande número de pessoas. Este meio é a Fibra Óptica. O cabo de fibra óptica é uma tecnologia que utiliza um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza como meio físico. Seu diâmetro é tão fino quanto um fio de cabelo humano e permite carregar milhares de informações digitais sem perdas significativas ao longo de grandes distâncias. 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. Os sistemas de comunicações baseados em cabo de fibra óptica utilizam dispositivos emissores de luz (LEDS) ou lasers. Além disso, as fibras ópticas são imunes a ruídos e interferências eletromagnéticas pois são feitas de materiais dielétricos e consequentemente não transmitem pulsos elétricos. Essa tecnologia permite altíssimas taxas de transmissão, na ordem de Gbps (bilhões de bits por segundo), porém para que haja o tráfego de dados e a taxa de transmissão no meio físico de fibra óptica são necessários equipamentos denominados conversores de mídias. O Cabeamento óptico oferece alta qualidade e grande variedade de protocolos compatíveis. No padrão Ethernet, o mais popular a tecnologia óptica oferece desempenho melhor em grandes distâncias e para elevadas taxas de transmissão, superando a do tradicional cabeamento metálico. A instalação em redes locais segue os mesmos requisitos das normas para edifícios comerciais, Data Centers ou residências. Ao contrário do que se costuma pensar, o cabo de fibra óptica é bastante flexível e pode ser passado dentro de diversos tipos de conduítes, sem problemas. Onde um cabo coaxial passa, pode ter certeza que um cabo de fibra óptica também vai passar. Não é necessário em absoluto que os cabos fiquem em linha reta, e devido às camadas de proteção, os cabos de fibra também apresentam uma boa resistência mecânica. Palavras Chaves: fibra, óptica, cabeamento, tecnologia.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO....................................................................................... 05

2 OBJETIVOS.......................................................................................... 07

3 METODOLOGIA.................................................................................... 08

4 DESENVOLVIMENTO........................................................................... 09

4.1 História no Brasil................................................................................. 09

4.2 Fibra Óptica.......................................................................................... 12

4.3 Fabricação de Fibra Óptica................................................................. 12

4.4 Partes da Fibra Óptica......................................................................... 14

4.5 Tipos de Fibra Óptica.......................................................................... 14

4.6 Dispositivos Ópticos de Recepção e Transmissão.......................... 15

4.6.1 Fontes Luminosas.................................................................................. 15

4.6.2 Receptores Luminosos.......................................................................... 17

4.7 Vantagens e desvantagens na utilização de Fibras Ópticas........... 18

4.7.1 Vantagens.............................................................................................. 18

4.7.2 Desvantagens........................................................................................ 19

4.8 Aplicações............................................................................................ 20

4.8.1 Rede Telefônicas................................................................................... 20

4.8.2 Rede Digital de Serviços Integrados...................................................... 20

4.8.3 Cabos Submarinos................................................................................ 20

4.8.4 Televisão Por Cabo............................................................................... 22

4.8.5 Sensores................................................................................................ 22

4.8.6 Automobilística....................................................................................... 23

4.8.7 Industria................................................................................................. 23

4.8.8 Medicina................................................................................................. 23

4.8.9 Fins Militares.......................................................................................... 24

CONCLUSÃO........................................................................................ 28

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................... 29

5

1 INTRODUÇÃO

Com a evolução da tecnologia, os tradicionais cabos metálicos foram

substituídos por cabos de fibra óptica. A fibra óptica é um filamento de vidro, que

também pode ser de material produzido com polímero, que tem alta capacidade de

transmitir os raios de luz. Ela foi inventada pelo físico indiano Narinder Singh

Kapany.

O funcionamento desses cabos ocorre de forma bem simples. Cada filamento

que constitui o cabo de fibra óptica é basicamente formado por um núcleo central de

vidro, por onde ocorre a transmissão da luz, que possui alto índice de refração e de

uma casca envolvente, também feita de vidro, porém com índice de refração menor

em relação ao núcleo. A transmissão da luz pela fibra óptica segue o princípio da

reflexão. Em uma das extremidades do cabo óptico é lançado um feixe de luz que,

pelas características ópticas da fibra, percorre todo o cabo por meio de sucessivas

reflexões até chegar ao seu destino final.

Reflexão é quando a luz, propagando-se em um determinado meio, atinge

uma superfície e retorna para o meio que estava se propagando.

Os feixes de luz que penetram no cabo óptico sofrem várias reflexões na

superfície de separação entre os dois vidros que o formam e dessa maneira a luz

caminha, podendo percorrer vários quilômetros de distância, uma vez que a energia

nas reflexões não é calculável. Utilizadas como meio para transmissão de ondas

eletromagnéticas, como a luz, por exemplo, elas são feitas em vidro porque esse

material absorve menos essas ondas.

A transmissão de informações pela fibra óptica ocorre através de um aparelho

especial que possui um fotoemissor que faz a conversão da luz em sinais elétricos.

A luz que é refletida no interior do cabo óptico pode ser transformada em sinal

elétrico, sonoro ou até mesmo luminoso, dependendo da informação que é

transmitida. As fibras ópticas são utilizadas principalmente nas telecomunicações,

pois apresentam várias vantagens em relação ao uso dos antigos cabos metálicos,

tais como:

Tem maior capacidade para transportar informações;

A matéria prima para sua fabricação, a sílica, é muito mais abundante que os metais

e possui baixo custo de produção;

6

Não sofrem com as interferências elétricas nem magnéticas, além de dificultar um

possível grampeamento;

A comunicação é mais confiável, pois são imunes a falhas;

Ao contrário dos fios metálicos, os fios de vidro não enferrujam, não oxidam e não

sofrem com a ação de agentes químicos.

7

2 OBJETIVO

Temos como objetivo esclarecer e apresentar essa tecnologia de grande

utilidade, constantemente utilizada por todos, porém desconhecida de muitos.

Durante as pesquisas descobrimos que o Brasil teve notável participação no

desenvolvimento das fibras ópticas e das fontes luminosas (fotoemissores) e dos

receptores luminosos (fotodetectores).

8

3 METODOLOGIA

Foi utilizado como material de pesquisa, artigos científicos e sites específicos

do assunto, este trabalho permitiu informações acerca das fibras ópticas de forma

simplificada, para que a mesma possa ser cada vez mais conhecida, compreendida

e estudada.

9

4 DESENVOLVIMENTO

4.1 HISTÓRIA NO BRASIL

Esperar horas até a telefonista completar a ligação interurbana ou o dia todo

pela chamada internacional é uma situação absurda para os dias hoje. Mas era

assim. O puxamento na Unicamp da primeira fibra óptica brasileira, em abril de

1977, simbolizou o sucesso de um grande projeto para a modernização das

telecomunicações no país, colocado em execução anos antes numa parceria entre

governo, universidade e empresas nacionais.

Essa história, em seus primórdios, registra propícias coincidências. Na

década de 1960, avançavam no mundo as pesquisas em óptica e fotônica,

buscando-se uma tecnologia alternativa para otimizar os sistemas de comunicação.

Até que em 1970, a fibra óptica, que permitia a transmissão de dados por

sinais luminosos, seria eleita para substituir os fios de cobre e as redes de

microondas. Durante o mesmo período, no Brasil, o governo militar definia o setor de

telecomunicações como estratégico para a integração e o desenvolvimento nacional,

criando instrumentos para modernizá-lo e controlá-lo.

Em 1965, criou a Embratel para realizar a conexão entre as regiões do país e

um fundo destinando 30% do valor das contas telefônicas para a política tecnológica

e industrial do setor.

Em 1966, Zeferino Vaz fundava a Unicamp, com a clara opção pela pesquisa

aplicada como contribuição ao desenvolvimento industrial. Para o Instituto de Física,

o reitor recrutou pesquisadores brasileiros que atuavam em pesquisas de ponta no

exterior, como Rogério Cerqueira Leite nos Estados Unidos. 3

Foi nos EUA, em 70, que os cientistas venceram as duas barreiras para a

utilização da fibra óptica: a grande perda de luz na transmissão e o excessivo calor

que os lasers geravam. Na empresa Corning, eles conseguiram produzir a primeira

fibra com perda de luz suficientemente baixa para uso na comunicação. E nos

Laboratórios Bell, da AT&T, chegaram a um laser que podia ser operado em

temperatura ambiente. No grupo que chegou ao laser estava o pós-doutorando José

Ellis Ripper Filho, que em 1971 seria convidado por Zeferino para estruturar o

primeiro Departamento de Física Aplicada do Brasil.

10

No mesmo ano, juntamente com o indiano Navin Patel, formou o grupo de

pesquisa de lasers e semicondutores.

Em novembro de 1972, o governo criou a Telebrás, com atribuições de

planejar, implantar e operar o sistema nacional de comunicações. O órgão assumiu

o controle da Embratel e das operadoras estaduais, num monopólio que permitiu a

padronização da tecnologia para a comunicação entre cidades e estados.

A Telebrás planejava abrir um centro de desenvolvimento de tecnologia em

telecomunicações, que depois se consolidaria na sigla CPqD. Ao saber da presença

de pesquisadores na Unicamp, a holding optou por investir em grupos acadêmicos

para a formação de profissionais capacitados, antes de construir um centro próprio.

Foram assinados os três primeiros contratos com universidades. Um deles com a

PUC do Rio de Janeiro, financiando um projeto de antenas. E dois com a Unicamp:

para o Projeto de Transmissão Digital, coordenado pelo professor Rege

Sacarabucci, da Faculdade de Engenharia Elétrica de Computação (FEEC); e para o

Sistema de Comunicação por Laser, coordenado por José Ripper. Vindo da

Universidade do Sul da Califórnia, o professor Sérgio Porto foi quem teve a idéia de

propor à Telebrás um projeto de fibra óptica.

Com outro contrato, em 1974, a Unicamp ocupou-se dos dois componentes

fundamentais das comunicações ópticas, o laser e a fibra. No grupo inicial formado

por Sérgio Porto estavam o americano James Moore, o indiano Ramakant

Srivastava, o holandês Eric Bochove e José Mauro Leal Costa, o primeiro brasileiro

a ver uma fibra óptica, durante seu doutorado em fabricação de vidros de alta pureza

na Universidade Católica da América.

O Grupo de Fibras Ópticas nasceu com o claro objetivo de desenvolver a

tecnologia de fabricação da fibra e depois transferi-la para a indústria nacional.

Instalou-se no prédio do Departamento de Eletrônica Quântica no início de 1976 e,

no final do ano, já tinha três laboratórios montados.

O grupo enfrentou inúmeras dificuldades, principalmente a burocracia na

importação de equipamentos, chegando a construir no próprio instituto aqueles mais

difíceis de adquirir. Comprava-se, por exemplo, motor de limpador de pára-brisas

para fazer dele um motor de corrente contínua.4

O contrato com a Telebrás previa também o desenvolvimento de uma

máquina de puxamento de fibra óptica. A primeira fibra brasileira foi puxada numa

torre de dois metros de altura, em abril de 1977.

11

Quando o governo decidiu implantar efetivamente o CPqD, em 1976, mais

uma vez funcionou a capacidade persuasiva de Zeferino Vaz, que convenceu o

presidente da Telebrás a construir o centro em Campinas. O CPqD funcionou

provisoriamente em outros pontos da cidade, até ser erguido o prédio atual próximo

à Unicamp. A transferência de tecnologia, de pessoal e de equipamentos para o

CPqD começou já depois do puxamento da fibra, seguindo o outro passo projeto: o

desenvolvimento da tecnologia de fabricação que seria oferecida à indústria. O

Grupo de Fibras Ópticas se dividiu, com Leal Costa passando a liderar a equipe no

CPqD.

Na Unicamp, o professor Ramakant Srivastava assumiu a coordenação das

pesquisas de ponta e da formação técnica e científica de pessoal. Um novo contrato

da Universidade com a Telebrás, no valor de US$ 1 milhão, envolvia agora um

sistema de comunicações ópticas.

Num barracão perto da rodovia D. Pedro I, o grupo do CPqD montou um

sistema de puxamento de fibra usando uma fonte de calor acima dos 2.000ºC. E ali

desenvolveu uma fibra óptica específica para um equipamento de conversão de

corrente elétrica na usina de Itaipu, a pedido da X-Tal, estatal fabricante de

osciladores de quartzo. A “fibra de Itaipu” acabou rejeitada pela multinacional sueca

que implantou o equipamento da hidrelétrica, mas propiciou a primeira experiência

de transferência tecnológica do CPqD para a indústria, já que a própria X-Tal acabou

montando uma unidade que serviu como semente na produção de fibras ópticas

para telecomunicações.

Os pesquisadores do CPqD dedicaram o ano de 1981 a uma fibra para as

comunicações e de um cabo óptico para protegê-la, cuidando de detalhes como a

tecnologia para ligar uma fibra a outra sem prejudicar a transmissão. Ao mesmo

tempo projetava-se um terminal de linha óptica para interligar centrais telefônicas em

centros metropolitanos. Em 1982, duas Kombis lotadas de fibras, equipamentos e de

pesquisadores chegaram a Jacarepaguá, no Rio de Janeiro, onde foi implantado o

primeiro enlace de comunicações ópticas (ECO-I) de rua no Brasil, por 4 km até

Cidade de Deus. Era hora de passar para outra fase da história, a transferência da

tecnologia ao setor privado.

A tecnologia dos equipamentos foi transferida para as empresas Elebra, NEC

e GTE. No caso da fibra óptica, havia seis concorrentes. O Grupo ABC, que havia

comprado a X-Tal, venceu a peleja e assegurou reserva de mercado por cinco anos.

12

Estabelecida em Campinas, a ABC X-Tal contratou pessoal do Grupo de Fibras

Ópticas da Unicamp e do CPqD, assinando contrato de US$ 6 milhões com a

Telebrás para produzir 2.000 km de fibra óptica em 12 meses. O primeiro lote de 500

km foi entregue em agosto de 1984.

No mesmo ano, entrava em funcionamento o primeiro sistema não

experimental de comunicações ópticas produzido integralmente no Brasil, ligando

duas estações telefônicas de Uberlândia. Em 1985, a Telesp instalava seus

primeiros 1,4 km de fibra óptica na cidade de São Paulo.

A partir dos anos 90, a Unicamp passou a realizar pesquisas em altas taxas e

longas distâncias. Nenhum integrante da equipe de 1975 permaneceu na

Universidade. Em 1996, o CPqD deixou as atividades de pesquisa e

desenvolvimento de tecnologia de dispositivos e materiais. ABC X-Tal, Bracel,

Avibrás, Pirelli e Sid fabricavam a maior parte dos 400.000 km/ano de fibras no país,

para uma demanda de 1.000.000 km/ano. Somente em Campinas surgiram seis

empresas “filhas” do projeto nacional – Padtec, Fotônica, AsGa, Optolink, Fiberwork

e KomLux –, a maioria tendo à frente antigos pesquisadores.

4.2 FIBRA ÓPTICA

Fibra óptica é um filamento de vidro ou de materiais poliméricos, composta

basicamente de material dielétrico, com capacidade de transmitir luz (sílica ou

plástico). Na composição entre a sua casca e o núcleo se encontra diferenças entre

o índice de refração, sendo o do núcleo maior que o da casca, com a finalidade de

oferecer condições de propagação da luz com reflexão total, ou seja, uma

transmissão aparentemente sem perdas. Tal filamento pode apresentar diâmetros

variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de

micrômetros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros. (WIRTH, 2002)

4.3 FABRICAÇÃO DE FIBRA ÓPTICA

A fabricação destas fibras começa com largos tubos de vidro. O tubo de vidro

é submerso em um ácido fluorídrico que remove qualquer resíduo do tubo. Logo,

dois tubos destes são colocados no centro de um torno e, enquanto giram, são

13

aquecidos por uma chama de hidrogênio e oxigênio. Quando o vidro se torna

branco, é que ele está atingindo a temperatura máxima. A 2000°C os tubos se

fundem.

Um novo tubo mais largo é colocado no outro torno. Enquanto os tubos giram,

é injetada uma mistura de gases químicos enquanto um aquecedor transversal

esquenta o tubo. O gás líquido contém formas líquidas de silício e germânio, similar

ao estanho e utilizado como semicondutor utilizado em transistores e outros

componentes eletrônicos. Ao aquecer os gases, eles sofrem uma reação química

que deixa um pó branco no interior do tubo de vidro. O calor funde o pó formando o

que se tornará o núcleo da fibra óptica. O tubo de vidro será a capa que envolve a

fibra. Quando há pó fundido o suficiente,

aumenta-se o calor até que este pó acabe se

convertendo em vidro. Em seguida, o tubo de

vidro é aquecido junto com o vidro que está dentro

dele, assim o calor intenso fará com que a capa

do tubo e o interior dele se unem e formam uma

vara sólida. A estrutura interna da fibra óptica,

nesta altura, já está feita. Mas ainda é uma vara

grande, a denominada vara pré-forma então o

próximo passo é afinar o diâmetro até ele chegar

a sua forma final.

Para isto, primeiramente a pré-forma é

separada do tubo e colocada em uma estrutura

vertical que chamamos de torre de puxamento.

Nesta torre, a pré-forma fixada num alimentador

que a introduz num forno com temperatura de

aproximadamente 2000°C.

Figura 1: Fabricação da Fibra Óptica

Então o material derrete e devido à gravidade, ele é todo empurrado para

baixo, como mel caindo de uma colher. O material é esticado até se tornar apenas

um capilar de vidro, a fibra óptica. .

14

O diâmetro da fibra depende da velocidade de alimentação da pré-forma no

forno e da velocidade de enrolamento da fibra, ambas controladas por computador.

Para que a fibra tenha o diâmetro correto, um medidor óptico de diâmetro que

funciona a laser assegura que as fibras cheguem a um diâmetro de 125

micrometros, o que é equivalente a cerca de um oitavo de um milímetro de

espessura. Logo, a fibra passa entre lâmpadas ultravioletas que proporcionam uma

capa acrílica em torno da fibra para protegê-la da poeira e outros contaminantes.

Finalmente, a fibra é enrolada em carretel para ser despachada para os

clientes, ou já é colocada em um cabo.

4.4 - PARTES DA FIBRA ÓPTICA

Uma fibra óptica possui as seguintes partes:

• Núcleo - minúsculo (18 milímetros², espessura de um fio de cabelo) centro

de vidro da fibra, no qual a luz viaja;

• Casca - material óptico externo que circunda o núcleo e reflete a luz de volta

para o mesmo;

• Capa protetora - revestimento plástico que protege a fibra de danos e

umidade. Dezenas dessas fibras ópticas são dispostas em feixes nos cabos

ópticos, que são protegidos pela cobertura externa do cabo, chamada

jaqueta.

4.5 - TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

A fibra óptica pode ser dividida através do meio de propagação do sinal.

Quando um sinal se propaga através da fibra em várias direções simultâneas

diferentes, características estas da Fibra Multímodo, agora quando se propaga em

apenas uma direção tem-se a Fibra Monomodo. Quando comparamos uma fibra

multímodo com uma fibra monomodo conclui-se que as mesmas têm vantagens e

desvantagens na construção de um enlace. Uma Fibra Multímodo pode ser

construída com tamanhos de núcleos de 50; 62,5; 82,5 ou 100 μm, e quando

confeccionadas com plástico especial geralmente são da ordem de 1000 μm.

São usadas principalmente em LAN’s, pois tem um baixo custo e apresentam

alto índice de refração quando comparadas com outras fibras confeccionadas para a

15

mesma situação e, também por ter o seu processo de fabricação mais simples,

dependendo da dopagem realizada para se obter um melhor índice de refração, tem

maior aproveitamento a curtas distâncias, porém com uma taxa de transmissão

menor quando comparada com uma Fibra Monomodo.

As Fibras Monomodo possuem o diâmetro do seu núcleo da ordem de 3 a 8

μm, muito menor se comparado com o núcleo de uma fibra multimodo, o que

proporciona uma desvantagem no alinhamento dos núcleos nas emendas e

conectores, que devido a este problema, precisam ser específicos aumentando o

custo de implantação. Mas hoje a fibra Monomodo é a mais utilizada em enlaces

intercontinentais, nacionais e metropolitanos, devido a sua baixa atenuação para

longas distâncias e alta capacidade de transmissão de taxas elevadas, superiores a

Gbit/s.

Figura 2: Fibra Multimodo e Fibra Multimodo

4.6 DISPOSITIVOS ÓPTICOS DE RECEPÇÃO E TRANSMISSÃO

4.6.1 Fontes Luminosas

As fibras ópticas jamais teriam ganhado a ênfase que ganharam se não

houvesse um desenvolvimento grande em paralelo das fontes luminosas

(fotoemissores) e dos receptores luminosos (fotodetectores). Estes dispositivos são

ambos feitos com materiais semicondutores, tendo suas características dadas por

tais compostos.

16

As fontes devem possuir potência de emissão luz que permita a transmissão

por longos espaços, variar o mínimo possível com as condições do meio e tornar

viável o acoplamento da luz na fibra, através das lentes convergentes ou de outros

métodos.

Para sistemas de transmissão por fibra óptica utiliza-se como fonte de luz um

diodo LASER (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation) ou um diodo

emissor de luz (LED). No caso de redes ópticas aonde o sinal irá se irradiar por

quilômetros, o diodo LASER é o mais indicado, pois o mesmo possui um controle de

irradiação por polarização DC. Sendo que a emissão de luz somente é iniciada

quando uma corrente DC aplicada ao laser, atinja um limiar, o que permite que a sua

potência luminosa seja superior ao LED, que não possui limiar e irradia qualquer

corrente positiva que o atravessa.

Assim a presença de um “1” lógico eleva a corrente para além do limiar e faz

o diodo laser emitir luz, e o “0” lógico mantém a corrente no limiar, não ocorrendo

irradiação. A faixa de frequências (ou comprimentos de onda) mais utilizadas pelas

comunicações ópticas se encontra nas regiões do infravermelho, luz visível e

ultravioleta do espectro, visualizado na figura 3.

Figura 3: Espectro eletromagnético

Na região da radiação infravermelha se encontra duas faixas de frequência

nas quais o vidro é eficiente, que ocorre nos comprimentos de onda de 0,85 μm e na

faixa entre 1,1 e 1,6 μm. Assim os dispositivos LASERS utilizam os comprimentos de

onda 1310nm e 1550nm, em sua maioria Detalhe que é evidenciado na figura 4.

Figura 4 - Janelas para transmissão pela fibra

17

4.6.2 Receptores Luminosos

A função dos fotodetectores é absorver a luz transmitida pela fibra e convertê-

la em corrente elétrica para processamento do receptor. O ideal é que os

fotodetectores tivessem o maior alcance possível, operando nos menores níveis

possíveis de potência óptica, e convertendo-a em eletricidade com o mínimo de

erros e de ruído.

A conversão de luz em corrente é realizada utilizando a energia do fóton para

retirar elétrons da camada de valência de um semicondutor (fotoionização), gerando

portadores de carga e colocando-os em movimento, o que caracteriza a corrente. Há

dois tipos básicos de fotodiodos, o fotodiodo p-i-n e o fotodiodo de avalanche

(Avalanche photodiode ). O primeiro é um fotodiodo (diodo receptor de luz) comum

que tem entre suas regiões P e N, uma região não dopada, chamada de região

intrínseca, cujo objetivo é manter o campo elétrico na região constante. O segundo,

por sua vez, é próximo ao p-i-n, mas gera campos elétricos mais fortes o que o torna

mais sensível que o p-i-n e, ao mesmo tempo, aumenta o ruído captado.

A eficiência de um receptor mede-se verificando a razão entre o sinal e o

ruído. Isso ocorre porque a potência óptica que é recebida pode chegar a nanowatts,

o que torna necessária à amplificação do sinal. Assim, a eficiência de um

fotodetector depende de sua capacidade de amplificar o sinal, sem gerar ruído novo

nem amplificar os que vêm misturados com o sinal.

Os receptores luminosos estão sujeitos a diversos fatores de contaminação,

dentre os quais a potência óptica de polarização, que pode ser tratada como uma

radiação de fundo, e a corrente escura, que é a corrente gerada pela excitação

térmica do receptor, sem que ele esteja recebendo luz, entre outros.

Figura 5 – Esquema de dispositivos ópticos de recepção e transmissão.

18

4.7 VANTAGENS E DESVANTAGENS

4.7.1 Vantagens

As fibras óticas possuem diversas vantagens sobre os meios convencionais

de comunicação, as quais são citadas a seguir:

Baixa atenuação – essa característica inerente a fibra óptica possibilita

enlaces de maiores distancias, que exigem poucos repetidores ou

regeneradores de sinal, representando uma diminuição dos investimentos no

sistema, e de gastos com manutenção dos repetidores. A atenuação da fibra

independe da frequência do sinal transmitido, o que não ocorre com os cabos

convencionais.

Largura de Banda – A elevada largura de banda da fibra óptica permite

futuras expansões do sistema, com maior capacidade de transmissão,

superando em muito os sistemas de transmissão por cabos metálicos. A fibra

óptica possui uma faixa de uso potencial da ordem de 1012Hz (1THz);

Meio de

Transmissão

Taxa de (Mbps)

Transmissão Canais de Voz

Distância entre Repetidores

(Km)

Coaxial

3,1

6,3

45

90

48

96

672

1344

1-2

Fibra Óptica

90

180

435

565

1700

1344

2688

6048

8064

24192

12-30 (multimodo)

70-80 (monomodo)

Figura 6 – capacidade de transmissão de canais telefônicos.

Imunidade a interferência eletromagnética – o material que constitui as

fibras ópticas é dialético, assim, as fibras não são afetadas por campos

eletromagnéticos próximos. Baseando-se nisto, a sua aplicação se torna

19

necessária em sistemas que podem sofrer degradações causadas por

descargas elétricas e instalações elétricas de alta tensão, com a inserção de

ruído no meio de transmissão;

Baixo peso – a fibra óptica pesa aproximadamente 30 g/Km e se

compararmos com um cabo coaxial, o cabo óptico possui um peso dez vezes

menos, o que viabiliza instalações em aviões e automóveis, onde peso é um

importante parâmetro;

Pequena Dimensão – O diâmetro externo de uma fibra óptica é 125 μm, o

que possibilita a fabricação de cabos ópticos compactos. Assim, os cabos

ópticos se tornam atrativos para aplicações, onde o espaço é limitado, e onde

deve-se fazer eficiente utilização do espaço disponível, como em aviões,

submarinos e dutos cheios, propiciando também facilidade e rapidez de

instalação;

Sigilo – A impossibilidade de se retirar ou colocar sinais ópticos ao longo da

fibra sem prejudicar o sistema, torna-o altamente sigiloso e seguro;

Isolação Elétrica – Devido às fibras ópticas serem dielétricas, de vidro ou

polímeros, isolam eletricamente os terminais de comunicação, eliminando o

uso de dispositivos de proteção contra surtos (centelhadores), possibilitando

sua utilização em áreas de atmosfera explosiva, por não produzirem

faiscamentos.

4.7.2 Desvantagens

Apesar das vantagens apresentadas anteriormente em relação aos meios de

comunicação convencionais, existem ainda alguns cuidados e desvantagens quanto

a utilização das fibras ópticas que devem ser considerados.

Acoplamentos e Emenda – Existem alguns cuidados quanto a emenda e

conexões das fibras ópticas que quando malfeitas, podem acarretar em perda

de grande parte da potência óptica. Essas emendas entre fibras requerem

equipamentos de grande precisão;

Derivações Limitadas – em sistemas com fibras ópticas, existem limitações

quanto ao número de derivações passivas. Pois os componentes utilizados

para este fim, atenuam o sinal consideravelmente;

20

Fragilidade da Fibra – A fibra óptica quando manuseada sem proteção

mecânica (revestimento) esta sujeita a quebra com mais facilidade que os

cabos convencionais.

4.8 APLICAÇÕES

4.8.1 Rede telefónica

Uma das aplicações básicas onde as fibras ópticas foram utilizadas foi a rede

telefónica. A fibra óptica, desenvolvendo sistemas de alta capacidade, era utilizada

no chamado sistema tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano,

que podiam ter desde algumas dezenas e centenas de quilómetros. Elas traziam

vantagens em tais projetos pois, graças à sua capacidade de percorrer grandes

distâncias sem a necessidade de repetidores e à sua grande capacidade de

transmissão de banda, reduziam significantemente os custos em relação aos demais

cabos e materiais utilizados para os mesmos fins. Uma outra aplicação da fibra,

ainda na telefonia, é na interligação de centrais telefónicas urbanas. Estas centrais

não envolvem longas distâncias, mas as fibras ópticas entram como forte opção pois

as redes subterrâneas estão geralmente congestionadas e porque sua grande

banda passante é capaz de atender uma demanda crescente, representada pelo

crescimento do número de usuários da rede.

4.8.2 Rede digital de Serviços Integrados

As fibras ópticas são capazes de suportar os novos serviços de transmissão

oferecidos pela rede digital de serviços integrados, graças à sua grande capacidade

de transmissão. As fibras ainda não dominaram totalmente tal aplicação por conta

de seu custo ainda alto, e por conta da dificuldade de realização de interfaces

ópticas adequadas aos aparelhos telefónicos.

4.8.3 Cabos submarinos

Os cabos submarinos são parte integrante da rede internacional de

telecomunicações, e são mais um exemplo no qual as fibras ópticas obtiveram

21

sucesso. Os cabos convencionais utilizam cabos coaxiais de alta qualidade, com

grande diâmetro para diminuir a atenuação, mas requerem repetidores separados

por distâncias de 5 a 10 km. Com as fibras ópticas, essa distância entre repetidores

pode ser aumentada para mais de 100km, além de oferecer outras vantagens já

conhecidas como a alta banda passante e facilidades operacionais devido a suas

pequenas dimensões

O primeiro dos cabos ópticos submarino transatlântico, o TAT-8, entrou em

operação em 1988, e elevou para 20000 circuitos de voz a capacidade de tráfego

entre EUA e Europa graças à sua grande capacidade de transmissão e à tecnologia

DWDM.

Desde então, foram instalados muitos outros cabos, criando uma forte rede de

comunicações que interligam todos os 5 continentes, tendo cada cabo capacidade

de transmissão da ordem de 5Tbps. Os cabos são utilizados para diferentes tarefas,

como transmissão de dados, telefonia, televisão, etc.

Estima-se que atualmente a extensão de cabos de fibra óptica em uso no

planeta seja de 300 milhões a 400 milhões de quilômetros. De modo comparativo,

essa extensão seria ao menos cem vezes maior que a circunferência de 39.400 km

do globo terrestre, conforme dados da agência TeleGeography8, empresa

especializada em pesquisa de mercado, consultoria em assuntos referentes a

telecomunicações, atuando desde 1969 como uma das maiores provedoras de

dados referente a Internet e seus usos, sediada em Washington-DC, EUA.

Um recente levantamento feito pela mesma agencia identificou as ligações

dos continentes feitas por fibra óptica através dos oceanos, conforme Figura 7.

22

Figura 7: Principais cabos submarinos em funcionamento

4.8.4 Televisão por cabo

Os atrativos da fibra óptica para os sistemas de televisão por cabo são as já

conhecidas grandes capacidades de transmissão e o seu alcance sem repetidores.

Nos sistemas de televisão por cabo com cabos coaxiais, o espaçamento entre

repetidores é da ordem de 1 km e o número de repetidores está limitado a 10 por

conta do ruído e da distorção aos quais tais cabos estão submetidos. Portanto, as

fibras ópticas superam economicamente e com a sua fiabilidade os cabos coaxiais

banda-larga.

4.8.5 Sensores

As fibras ópticas são utilizadas em sistemas sensores ou de instrumentação

seja em aplicações industriais, médicas, automóveis e até militares. A ideia de

utilizar a fibra óptica em tais ambientes vale-se de suas pequenas dimensões e da

sua resistência à ambientes hostis.

23

4.8.6 Na Automobilística

Na automobilística, as aplicações das fibras vão desde o controle do motor e

da transmissão até os acessórios secundários (controlo de janelas e portas,

aquecimento e refrigeração de ar, entre outros). As vantagens da fibra de ser imune

às interferências, ter dimensões pequenas e isolamento eléctrico, auxiliaram para

que ela conquistasse mais este tipo de aplicações.

4.8.7 Na Indústria

Na indústria, as fibras ópticas são utilizadas principalmente em sistemas de

telemetria, graças à resistência da fibra a diferentes condições de temperatura,

pressão, e outros, e supervisão de controlo de processos.

4.8.8 Na Medicina

O uso de fibras ópticas em aplicações médicas tem evoluído bastante desde

as aplicações pioneiras do Fiberscope, onde um feixe de fibras de vidro servia

basicamente para iluminar e observar órgão no interior do corpo humano. Hoje em

dia, tem-se uma variedade de aplicações de sistemas sensores com fibras ópticas

em diagnóstico e cirurgia. Inseridos através de cateteres ou subcutaneamente,

sensores de fibras ópticas miniaturizados permitem monitorar funções biológicas

internas dos pacientes. Estes sensores, que podem permanecer aplicados no

paciente durante um longo tempo, permitem testar e acompanhar processos

biológicos em tempo real, de vital importância, por exemplo, em cirurgias. Dentre os

sistemas sensores com fibras ópticas em aplicações médicas podem ser destacados

os seguintes:

Sensores de temperatura: têm sido utilizados, por exemplo, em terapia

hipertérmica radiológica de tumores cancerígenos, onde as qualidades de

imunidade electromagnética das fibras ópticas são únicas, face à radiação de

microondas da fonte de calor utilizada. A faixa de atuação típica dos sensores

de temperatura para aplicações médicas é de 0 a 100ºC e com precisão de

0,01ºC;

24

Sensores de pressão: utilizados para monitorar a pressão intracraniana,

cardiovascular, uretral ou retal. A faixa de atuação é de 0 a 300mm de

mercúrio com precisão de 0,5%;

Sensores magnéticos: permitem obter o mapeamento dos campos

magnéticos gerados pelo cérebro, útil no tratamento de ataques de epilepsia;

Sensores de pH: utilizados para monitorar o nível de oxigénio do sangue,

permitindo, por exemplo, acompanhar o comportamento de feto numa cirurgia

cesariana. Atua tipicamente numa faixa de pH entre 7 e 7,4 com precisão de

0,001, sendo que o nível de asfixia é indicado por pH 7,2.

Sensores de vazão: utilizados para monitorar a vazão sanguínea em

aspersões para diagnósticos em cirurgias vasculares ou plásticas, para

monitorar o sistema de circulação ou para avaliar grau de queimaduras com

precisão e presteza.

Além dos sensores acima descritos, as fibras ópticas têm sido utilizadas como

instrumentos cirúrgicos (cateteres), por exemplo, monitorizando e controlando com

precisão a limpeza de artérias cardiovasculares ou a destruição de tumores.

As aplicações médicas de fibras ópticas podem ainda incluir redes de

comunicações locais em grandes hospitais ou redes de distribuição de recursos

concentrados num hospital especialista para assistência de médicos em localidades

remotas. As fibras ópticas suportam transferências de dados de alta velocidade e

comunicações visuais utilizadas para monitorização remota de pacientes ou

equipamentos, na consulta às informações sintomáticas especializadas ou ainda em

procedimentos cirúrgicos. Interferências eletromagnéticas dos equipamentos

hospitalares de alta tensão (por exemplo, raios-X) são evitadas com o uso de fibras

ópticas.

Aparelhos que utilizam fibra óptica para transmissão da luz fria garantem um

campo de trabalho sem reflexo, sem aquecimento ou obstrução do campo visual da

membrana timpânica. Portanto, para uso médico, é indicado que se procure estas

características no aparelho.

4.8.9 Fins Militares

A fibra ótica tem várias vantagens em relação aos equivalentes elétricos como

largura de banda, pequeno peso e tamanho, resistência à corrosão, flexibilidade

25

geométrica e imunidade a interferência eletromagnética. No caso de arranjo de

sonares rebocados, a fibra ótica pode ser usada como sensor e como transmissor

de dados ao navio mãe.

Os links de comunicações por fibra ótica estão substituindo os equivalentes

de cabo de cobre em várias aplicações militares como complexos de Centro de

Comando e eletrônicos de veículos (vectrônicos). Várias marinhas estão instalando

LANs de fibra ótica abordo de navios.

A capacidade dos links de fibra ótica de levarem dados seguros e transmitir

imagens de grande banda torna o sistema ideal para várias aplicações que precisam

do comando humano de armas e sensores. O operador pode usar as saídas de

dados da cabeça de busca para realizar reconhecimento durante o caminho e enviar

vários comandos durante a fase terminal. Pode identificar o objetivo de interesse no

meio de vários alvos em potencial, selecionar o ponto de impacto, trancar a cabeça

de busca naquele local e abortar a missão se houver dúvida sobre a identificação.

Outras vantagens incluem manipular a arma longe da linha de visão do alvo

escondendo o local de lançamento e mantendo a maior parte do complexo e caro

sistema de guiamento na estação em terra. Contudo, os requerimentos de

desenrolamento do cabo de fibra ótica a altas velocidades determinam limitações do

projeto da fibra ótica e da bobina onde está enrolado.

Sistemas de controle de voo tipo “Fly-By-Light” (FBL) são uma especialização

da aplicação da fibra ótica para comunicação de dados militares. Assim como os

sinalizadores elétricos (fly-by-wire) substituíram os cabos e roldanas para transmitir

os comandos para as superfícies de controle, o FBL será o próximo passo

substituindo o FBW. Os experimentos mostraram que não existe muita vantagem em

redução de peso e custo.

Empresas fabricantes de sonares já testaram sonares rebocados usando fibra

ótica como elementos sensitivos. O AODS tem o objetivo de produzir um sistema de

vigilância compacto usando bateria para operações em águas rasas. Nos testes em

2009, um sistema com hidrofones de 84 canais de fibra ótica foi lançado em menos

de um dia e operou por nove meses.

Os giroscópios de fibra ótica (FOG em inglês) têm várias vantagens em

relação os mecânicos ou a laser como custos, vida útil, velocidade de inicialização,

tamanho pequeno, baixo peso e rusticidade. Os FOGs exploram o efeito Sagnac

onde dois raios viajando em direções opostas ao redor de um círculo chegarão ao

26

ponto de referência com uma diferença de fase devido a rotação. Este conceito é

implementado ao enviar dois raios de luz em um rolo de fibra e reunir os dois num

detector. Sem a rotação do rolo, os dois sinais estão na mesma fase e formam um

pico máximo de sinal no detector. Com a rotação do rolo, o sinal interfere e o

detector percebe diminuição da energia. A energia no detector é função da diferença

de fase entre os dois raios e está relacionado com a taxa de rotação das relações

acima.

Os FOGs estão sendo integrados em sistema de navegação que incluem o

uso de GPS para tirar vantagem dos dois sistemas.

Várias companhias têm desenvolvido sistemas de proteção de perímetro com

sensores de fibra ótica para detectar invasores. Um dos benefícios é a imunidade a

interferência eletrônica como a encontrada próxima a equipamentos de alta

voltagem ou áreas sujeitas a relâmpagos.

O link de cabo de fibra ótica pode ser usado para guiamento e comunicação,

permitindo que o submarino comande a cabeça de busca do torpedo e pode usá-la

como sensor para o conjunto de combate submarino. O torpedo pode ser guiado por

fio ou de forma autônoma após partir o cabo. Com o comando por cabo a resistência

a contramedidas é aumentada e a probabilidade de acerto aumenta com a troca de

dados e comando humano.

A fibra ótica também pode ser usada em bombas, sonobóias e veículos

pilotados remotamente aéreos, terrestres e submarinos.

Os despistadores rebocados de fibra ótica estão se tornando parte dos

subsistemas defensivos de aeronaves militares. Um gerador de técnicas de

interferência na aeronave mãe, replica sua assinatura de radar que é transmitida até

o FOTD pelo cabo de fibra ótica. O interferidor passa a irradiar o sinal para enganar

mísseis atacantes para longe da aeronave defendida.

Mísseis anticarro guiados por cabo existem há mais de cinco décadas. O

guiamento por fio metálico é usado em guiamento de mísseis de curto alcance

desde a segunda Guerra Mundial.

A fibra ótica é considerada ideal para controle de armas e sensores sobre

controle humano. O uso de tecnologia de fibra ótica para defesa em curtas

distâncias e armas guiada superfície/superfície estão sendo estudadas em vários

países.

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A principal característica dos mísseis guiados por fibra ótica e com sensores

de imagem é a polivalência. Eles podem atacar carros blindados e carros de

combate, fortificações, helicópteros e tem capacidade antipessoal. Os mísseis

guiados por fibra ótica podem atacar pela parte superior que é a parte menos

protegida de um tanque ou fortificação ou diretamente se o alvo estiver coberto na

parte superior.

Nos estudos de sistemas anti-helicópteros do US Army, foi concluído que

para atacar um helicóptero é necessário usar um míssil de hipervelocidade ou de

fibra ótica devido ao pouco tempo que os helicópteros ficam visíveis. Os mísseis de

hipervelocidade usariam a velocidade para alcançar a aeronave o mais rápido

possível enquanto o míssil guiado por fibra ótica usaria sua cabeça de busca e

capacidade de reaquisição para a busca sistemática da aeronave escondida no

relevo e vegetação.

Nos mísseis guiados por fibra ótica, o fio se desenrola de um carretel na

traseira do míssil quando disparado de plataforma estacionária. Uma plataforma

móvel precisa de carretel no lançador pois pode manobrar durante e após o

disparo. O guiamento de meio curso é feito geralmente com piloto automático e o

guiamento final é geralmente semiautomático para melhorar precisão. O atirador só

faria a identificação e indicação do alvo. Ele pode escolher o melhor ponto de

impacto e a qualquer momento pode tomar controle manual do míssil.

O cabo pode se desenrolar sem problemas a velocidades próximas de “Mach

1”. Em altas velocidades o problema será a capacidade de reação humana.

.

Figura 8: Modelo de Míssil guiado por Fibra Óptica

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CONCLUSÃO

Conclui-se com este trabalho, como visto dentro do conteúdo apresentado, a

fibra é fundamental para o desenvolvimento da humanidade nos próximos anos e

que tende a popularizar-se ainda mais a utilização dessa tecnologia. A utilização em

grandes distancias hoje por essa tecnologia é uma realidade mais que presente no

mundo inteiro, sendo muito lucrativo e disputado pelas empresas que possuem a

competência necessária.

Desde uma LAN em um prédio comercial, até um míssil militar, a fibra mostra

a sua competência em levar dados de modo fácil, rápido e confiável, se tornando um

meio seguro e dinâmico de comunicação de precisão.

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REFERÊNCIAS

A Fibra Ótica. Disponível em: http://super.abril.com.br/tecnologia/fibra-otica-439075.shtml. Acesso em: 02/05/2016 A guerra da super banda larga. Disponível em: http://www.istoedinheiro.com.br/noticias/47393_A+GUERRA+DA+SUPER+BANDA +LARGA Acesso em: 04/05/16 Aos 30, fibra óptica mudou as telecomunicações do país. Disponível em: http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/maio2007/ju359pag6-7.html Acesso em: 28/05/16 Anatel arrecada 25 bilhões com o leilão de lotes nacionais. http://g1.globo.com/tecnologia/noticia/2012/06/anatel-arrecada-r-25-bilhoes-com-leilaode-lotes-nacionais-do-4g.html Acesso em 29/05/2016 Brasil possui 16 mil quilômetros de fibra óptica ociosos. Disponível em: http://info.abril.com.br/noticias/tecnologia-pessoal/brasil-tem-16-mil-km-de-fibraoptica- ociosos-24112009-45.shl Acesso em 12/05/2016 MATOS, Edison Puig Maldonado e Dinaldo de Castilho. Aspectos Fundamentais da Tecnologia de Fibras Ópticas. 2003. Disponível em: http://puig.pro.br/Laser/TutFO.pdf