5.1 Fibras Óticas

Fibras óticas (frequentemente abreviadas em FO) utilizadas em transmissão de

dados são frequentemente comparadas a meios de transmissão de banda ilimitada e

possuem excelentes propriedades de atenuação que chegam a valores de 0,25dB/Km.

São muitas as vantagens na utilização das fibras, podemos enumerar:

● Imunidade eletromagnética - por serem feitas de materiais dielétricos como

vidro e plástico, uma fibra ótica é totalmente imune as interferências eletromagnéticas,

além de serem isolantes à passagem da corrente elétrica.

● Segurança no tráfego de informações - as fibras óticas trabalham com sinais

de luz, o que dificulta muito o uso de grampos. Para que possamos executar um grampo

em uma fibra ótica, necessitamos de aparelhos complexos e caros, capazes de decifrar

os sinais de luz.

● Dimensões reduzidas - As fibras óticas apresentam dimensões muito

pequenas, e são feitas de materiais mais leves que o cobre utilizado nos cabos coaxiais,

por isso são mais leves e menores que estes cabos.

● Não é necessário licenças para utilização – diferentemente de sistemas de

telefonia e rádio, na utilização de fibras óticas não são necessárias licenças dos órgãos

regulamentadores para utilização.

Um sistema de transmissão ótica tem três componentes fundamentais: a fonte

de luz, o meio de transmissão e o detector ótico. Por convenção, um pulso de luz indica

bit um, e a ausência de luz representa bit zero. Quando instalamos uma fonte de luz na

extremidade de uma fibra ótica e um detector na outra, temos um sistema de

transmissão de dados unidirecional que aceita um sinal elétrico, converte o sinal e o

transmite por pulsos de luz; depois, na extremidade de recepção, a saída é reconvertida

em um sinal elétrico.

Considerando somente a fibra, teríamos taxa de transmissão e largura de banda

quase infinitas, no entanto, outros componentes do sistema limitam este potencial da

fibra. Em geral, o tempo de resposta de um fotodiodo comercial, que é o detector mais

usado nas extremidades de recepção das fibras, é de 1 nanossegundo, o que limita as

taxas de dados a 1 Gbps, que ainda é uma taxa muita alta para tráfego de informações.

5.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Para que a transmissão de informações na fibra funcione de fato, sem que

hajam perdas significativas na transmissão da luz, é necessário levar em consideração o

princípio da reflexão total demonstrado pela Lei de Snell. Quando um raio de luz passa

de um meio mais refringente para outro, por exemplo, de sílica fundida para o ar, o raio

é refratado na fronteira dos meios, como mostra a figura a seguir.

Figura 5.1 – Evolução da refração de um raio de luz até a reflexão total

Inicialmente vemos um raio de luz saindo do meio mais refrativo 1N

atravessando para o meio de menor índice de refração 2N . Por causa do pequeno ângulo

de incisão 1ζ , temos que o raio sofre apenas um desvio ao atravessar o limite entre os

meios. À medida que o ângulo incidente aumenta, o ângulo de refração 2ζ aumenta

também, mas em maior proporção, até chegarmos ao ponto em que o ângulo de refração

se torna perpendicular aos meios. Este é o ângulo de incidência crítico da refração, e a

partir deste ponto, se aumentamos o ângulo incidente, a refração deixa de existir e todo

o raio incidente passa a ser refletido. A este fenômeno chamamos de reflexão total.

Assim, um raio de luz incidente no ângulo crítico ou acima dele é interceptado

no interior da fibra, como mostrado a seguir, e pode se propagar por muitos quilômetros

sem sofrer praticamente nenhuma perda, conforme esquematizado na figura 5.2.

Figura 5.2 – Reflexão total dentro do cabo de fibra

Para utilização das fibras é importante ressaltamos dois pontos críticos que

limitam a transmissão de sinais e implicam na utilização de repetidores assegurar a

recepção dos mesmos, são eles a atenuação ou perdas, que são medidas em decibel por

quilometro (dB/Km), e a dispersão, usualmente medida em largura de banda por

unidade de comprimento (MHz/km). Normalmente as fibras podem ser limitadas em

potencia ou dispersão.

5.1.2 DISPERSÃO

A dispersão é a principal responsável pela limitação da largura de banda do

sinal transmitido. É um fenômeno específico dos sinais digitais, mais comuns em fibras

óticas. Ocorre um alargamento temporal do sinal ótico, que resulta na superposição de

diversos pulsos do sinal, por este motivo é também conhecida como interferência

intersimbólica. Os modos geradores de uma frente de onda de luz são separados quando

trafegam pela fibra ótica, e isto ocasiona a chegada deles atrasados em relação ao tempo

na outra extremidade. Em uma transmissão digital, este fenômeno, vem dificultar a

recepção do sinal no circuito receptor e sua posterior decodificação. Podemos classificar

a dispersão do pulso de duas maneiras: dispersão modal e dispersão cromática.

5.1.2.1 Dispersão Modal

O resultado da geometria da guia de onda e das diferenças dos índices de

refração que permitem à fibra propagar vários raios de luz ou modos, definem a

dispersão multimodo ou modal. As fibras multimodos são as únicas onde ocorre a

dispersão modal, observando-se os vários modos com que os raios de luz percorrem

caminhos diferentes a um determinado ponto em tempos distintos. Mais adiante

veremos um pouco mais sobre os tipos de fibras óticas.

Figura 5.3 – Diferentes caminhos percorridos pelos raios de luz dentro da fibra ótica

Este fenômeno ocorre quando são lançados vários raios de luz diferentes.

Alguns têm mais reflexões dentro da fibra que outros modos, fazendo assim com que

parte da energia transmitida pelos modos de alta ordem, aqueles que percorrem o

caminho mais longo, sejam mais demorados, quando comparados com modos de baixa

ordem. De forma simplificada podemos analisar que os modos terão a mesma

velocidade dentro da fibra, a velocidade da luz, mas como eles percorrerão caminhos

diferentes dentro dela, cada um chegará em tempos diferentes.

5.1.2.2 Dispersão Cromática

Em todas as fibras está presente a dispersão cromática, porque depende do

índice de refração do material da fibra com relação ao comprimento de onda. As

dispersões cromáticas são divididas em dois tipos: dispersão material e dispersão de

guia de onda.

A dispersão material ocorre por causa das fontes de luz utilizadas para

transmitir informações pela fibra. Como nenhuma delas é ideal, certas frequências da

luz viajam mais rapidamente que outras, causando da mesma forma um atraso nos

pulsos transmitidos. Cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de

refração num determinado ponto, por isso cada um viaja no núcleo com velocidade

diferente, provocando a diferença de tempo de percurso, ou seja, a dispersão do impulso

luminoso.

Uma das maneiras de amenizar este efeito é utilizando-se uma fonte de luz

monocromática, que é efetivamente melhor do que um LED convencional, já que essa

fonte de luz gera uma luz mais pura e com menor largura espectral.

Já a dispersão de guia de onda é provocada por variações nas dimensões do

núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra ótica, depende

também do comprimento de onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras

monomodo que tem dispersão material reduzida.

Figura 5.4 – Efeito da dispersão em um trem de pulsos

A figura 5.4 mostra o efeito da dispersão em um trem de pulsos. A energia

transmitida pelos pulsos positivos segue com atraso onde não há energia efetiva, quando

o bit sinaliza o estado zero. Outro método que pode limitar este efeito, além da

utilização de fontes emissoras de luz monocromáticas, é utilizar fibras monomodais, que

possuem menor diâmetro de fibra. Por este motivo, fibras monomodais são obrigatórias

para casos em que são necessárias altas taxas de transmissão de dados, superiores a 622

Mbps, e também para longas distâncias. O diâmetro menor, aliado ao emprego de

comprimentos de onda mais longos, permitem ao usuário utilizar tais fibras com taxas

de transmissão de até 10Gbps.

5.1.3 ATENUAÇÃO

Outro fenômeno que deve ser observado são as perdas de sinal. À medida que a

luz se propaga pela fibra ótica, perde parte da potência pela absorção de luz na casca,

bem como imperfeições do material empregado na fabricação (sílica) dentro da fibra,

por um processo que chamamos de atenuação do sinal, que é medido em dB/km,

conforme citado anteriormente. As dispersões também influenciam na potencia do sinal

de saída, mas convenientemente separamos estes itens para facilitar o entendimento, já

que a dispersão é utilizada para definir parâmetros de largura de banda das fibras óticas.

O grau de atenuação da luz através da fibra depende basicamente de dois

fatores: as propriedades físicas do vidro e o comprimento de onda da luz transmitida. A

absorção da luz por materiais dentro da fibra, a difusão da luz e o vazamento de luz do

núcleo, estão relacionados as perdas pelas propriedades físicas do material utilizado na

fabricação da fibra.. A atenuação pelo comprimento de onda da luz é demonstrada no

gráfico a seguir:

Figura 5.5 – Atenuação do sinal pelo comprimento de onda

A figura 5.5 mostra a parte de infravermelho do espectro que, na prática, é a

utilizada. A luz visível tem comprimentos de onda ligeiramente mais curtos, conforme

figura 5.6, que variam de 0,4 a 0,7 micrometros. A comunicação ótica utiliza três

bandas de comprimentos de onda, elas são centralizadas em 0,85, 1,30 e 1,55

micrometros respectivamente. As duas últimas têm boas propriedades de atenuação com

uma perda inferior a 5% por quilômetro. A banda de 0,85 micrometros tem uma

atenuação maior, mas por outro lado, nesse comprimento de onda, os lasers e os chips

podem ser produzidos a partir do mesmo material tornando a utilização da fibra mais

barato.

Figura 5.6 – Espectro eletromagnético com destaque para luz visível

A atenuação total em decibéis também pode ser obtida pela seguinte equação:

=

in

out

P

PdB log10 (5.1)

Onde a potencia de saída pela potencia de entrada é chamado de fator de perda.

5.1.4 TIPOS DE FIBRA ÓTICA

Os cabos de fibra ótica são semelhantes aos cabos coaxiais, a figura 5.7a

mostra a vista lateral de uma única fibra. No centro, fica o núcleo de vidro através do

qual se propaga a luz. Nas fibras multimodo, o núcleo tem em média 62,5 micrometros

de diâmetro, o que corresponde à espessura de um fio de cabelo humano. Nas fibras

monomodo, o núcleo tem entre 8 e 10 micrometros.

Figura 5.7 – (a) Estrutura em corte de uma fibra ótica; (b) Cabo de fibra com duas fibras óticas

O núcleo é envolvido por um revestimento de vidro, ou plástico, com um

índice de refração inferior ao do núcleo, para manter toda a luz no núcleo. Em seguida,

há uma cobertura de PVC para proteger o revestimento interno. Geralmente, as fibras

são agrupadas em feixes, protegidas por um revestimento exterior, conforme a figura

5.7b.

Em alguns cabos de fibra temos ainda fios de kevlar, que é uma fibra sintética

de aramida, um polímero usado para fazer fios com alta resistência a calor, cortes e

rompimentos. Este material é utilizado para fabricação de cintos de segurança, em

construções aeronáuticas e até mesmo em coletes a prova de bala. A associação de fios

de kevlar com a fibra agrega maior resistência mecânica aos cabos e fios de fibra e isto

auxilia na instalação, onde é necessário tracionar os cabos na maioria das vezes, e no

transporte, já que por natureza é um material frágil.

Existem três categorias de FO que as distingue pelas características físicas,

forma de propagação dos raios de luz e capacidade de transmissão, são elas:

5.1.4.1 Multimodo de Índice Degrau

As fibras multímodo, no geral, são aquelas que possuem vários modos de

propagação, ou seja, vários raios de luz podem ser transmitidos simultaneamente através

da fibra, e eles percorrem diversos caminhos no interior da mesma. Tal característica,

nos permite classificar este tipo de fibra de duas formas: fibras multimodo de índice

degrau e fibras multimodo de índice gradual.

A primeira delas possui o núcleo composto por um material homogêneo de

índice de refração constante e sempre superior ao revestimento secundário. É chamada

de índice degrau porque há uma única diferença entre os índices de refração do núcleo e

do revestimento secundário, desta forma os raios de luz enxergam um degrau de índice

de refração.

Fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por

isto, possuem características inferiores aos outros tipos, sendo que uma das deficiências

que podemos enumerar é a banda passante estreita, quando comparada com as fibras

monomodo, o que restringe a capacidade de transmissão da fibra, e a atenuação que

também é alta comparada com as fibras monomodo. Todas essas desvantagens podem

restringir as aplicações com fibras multimodo com relação à distância e à capacidade de

transmissão.

5.1.4.2 Multimodo de Índice Gradual

O segundo tipo de fibras multimodo é caracterizada por possuir um núcleo

composto de um índice de refração variável. Esta variação geralmente é do tipo

parabólica, e tem o efeito de reduzir o alargamento do impulso luminoso, aproximando

assim os tempos de propagação dos vários modos, reduzindo a dispersão modal.

A fabricação deste modelo é um pouco mais complexa, porque somente

conseguimos o índice de refração gradual dopando com doses diferentes o núcleo da

fibra, o que faz com que o índice de refração diminua gradualmente do centro do núcleo

até a segunda camada.

Na prática esse índice de refração variável faz com que os raios de luz

percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e cheguem à outra

extremidade da fibra praticamente ao mesmo tempo, aumentando a banda passante e,

consequentemente, a capacidade de transmissão.

Independente do tipo de fibra multimodo, as dimensões do núcleo vão de 50

até 200µm, sendo que comercialmente adota-se o valor de 62,5µm e do revestimento

secundário os valores vão de 125 até 240µm, adotando-se comercialmente o valor de

125µm.

5.1.4.3 Monomodo

As fibras monomodo possuem um único modo de propagação, ou seja, os raios

de luz percorrem o interior da fibra por um só caminho. Neste tipo de fibras o diâmetro

do núcleo é tão pequeno, por volta de 0,8µm, que não há mais do que um modo de

propagação, logo, não existe dispersão modal.

Por possuírem suas dimensões mais reduzidas que as fibras multimodos, as

fibras monomodais tem fabricação mais complexa, contudo as características destas

fibras são muito superiores às multímodos. A banda passante deste tipo de fibra é mais

larga, o que aumenta a capacidade de transmissão, e à atenuação mais baixa, permitindo

seu uso em distâncias maiores entre transmissor e receptor sem o uso de repetidores. Os

enlaces com fibras monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os repetidores,

podendo ser até maiores, dependendo da qualidade da mesma.

Quanto as dimensões, possuem os valores de 07 à 0,9µm tipicamente adotados

para o núcleo, sendo que comercialmente é adotado o valor de 08µm, e para o

revestimento secundário, valores que variam de 125 até 240µm, adotando-se

comercialmente o valor de 125µm.

Figura 5.8 – Tipos de fibra ótica

A figura 5.8 traz um pequeno resumo dos tipos de fibras que citamos,

informando os valores mais comuns para o diâmetro do núcleo e do revestimento

secundário da fibra , a propagação dos modos dentro da fibra, e ainda o aspecto gráfico

dos sinais de luz na entrada e na saída.

5.1.5 CONEXÃO DE FIBRAS ÓTICAS

Os cabos de fibra ótica estão disponíveis no mercado em diversas dimensões, é

comum encontrar lances inteiros de 1Km, mas também estão disponíveis cabos que

chegam a extensão de 10Km ou mais. Em qualquer destes casos é obrigatório encontrar

alguma maneira de conectar as fibras à fontes e detectores de luz, e também a outros

cabos de fibra, conversores ou amplificadores de acordo com a necessidade.

Há dois métodos pelos quais as fibras podem ser unidas: utilizando conectores

ou realizando emendas. Em qualquer um dos casos, o objetivo é transferir tanta luz

quanto possível pela junção. Uma boa emenda é muito mais eficiente do que a

utilização de conectores, segundo Freeman (2005) as perdas de sinal para os casos de

emenda podem chegar a 0,09dB, enquanto que os melhores conectores possuem perdas

de aproximadamente 0,3dB.

A realização de emenda, no entanto, requer do usuário habilidade para fazer

um alinhamento de alta precisão e ainda um bom acabamento, para que se obtenham

resultados satisfatórios, ou seja, é necessário investimento na qualificação de mão-de-

obra para tal serviço.

5.1.5.1 Conectores

Apesar de menos eficientes, os conectores são muito utilizados no emprego das

fibras, devido a sua grande maleabilidade, que facilitam a reconfiguração dos sistemas,

sobretudo em caso de defeito de um dos componentes da rede de comunicação.

Obviamente a utilização de conectores limita o sistema por causa das perdas, cabendo

ao usuário analisar em quais aplicações será viável a utilização dos mesmos.

O maior cuidado que é requerido destas terminações é a inspeção e limpeza,

devido ao pequeno diâmetro das fibras, qualquer grão de sujeira pode interferir na rede

de comunicação entre os equipamentos. A figura 5.9 mostra os tipos de conectores mais

usados no mercado com suas respectivas nomenclaturas.

Figura 5.9 – Modelos de conectores mais utilizados no mercado

Atualmente são conhecidos e aplicados comercialmente dois tipos de emendas

em fibras óticas, são elas a emenda mecânica e a emenda por fusão.

5.1.5.2 Emendas mecânicas

A emenda do tipo mecânica é baseada no alinhamento das fibras através de

estruturas mecânicas. São dispositivos dotados de travas para que a fibra não se mova

no interior da emenda que contém líquidos entre as fibras, chamados líquidos casadores

de índice de refração. Tais líquidos devem possuir índices de refração muito próximos

aos do núcleo da fibra e tem a função de diminuir as perdas das emendas.

Antes de realizar a emenda é preciso efetuar a clivagem e posteriormente a

limpeza da fibra, com substâncias pobres em água, como álcool isopropílico, em

seguida as fibras devem ser alinhadas para permitir a passagem de luz. Em alguns casos

é desejável fazer a luz passar pela junção, para em seguida realizar pequenos ajustes

cuja finalidade é aumentar a precisão, diminuindo as perdas de transmissão.

A clivagem é o processo de corte da ponta da fibra ótica. É efetuada a partir de

um pequeno ferimento na casca da fibra e depois ela é tracionada e curvada sob o risco,

assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra. Um alicate de corte

especialmente projetado para esta finalidade é usado para efetuar a clivagem.

As emendas mecânicas são realizadas em cerca de 5 minutos por uma equipe

treinada, ainda assim este procedimento é recomendado para aqueles que tem um

número reduzido de junções a realizar, pois mesmo o custo desses dispositivos é sendo

relativamente baixo, além de serem reaproveitáveis, é mais indicado realizar emendas

por fusão quando há muitas a serem realizadas, visto que após a aquisição de um

equipamento específico as junções podem ser feitas e refeitas rapidamente por uma só

pessoa, e tantas vezes quanto for necessário.

5.1.5.3 Emendas por fusão

Emendas por fusão são conhecidas como emendas a quente, neste tipo de fusão

a fibra deverá ser inicialmente limpa e clivada para, posteriormente, ser introduzida

numa máquina, chamada máquina de fusão, para, após o alinhamento apropriado, ser

submetida à um sobreaquecimento, geralmente causado por um arco voltaico, que eleva

a temperatura nas extremidades das fibras, provocando o derretimento e soldagem das

fibras. O arco voltáico é obtido a partir de uma diferença de potencial aplicada sobre

dois eletrodos de metal.

Figura 5.10 – Máquina de fusão de fibras óticas

Após a fusão a fibra é revestida por resinas que tem a função de oferecer

resistência mecânica à emenda, protegendo-a contra quebras e fraturas. Após a proteção,

a fibra emendada é acomodada em recipientes chamados caixa de emendas.

As caixas de emendas podem ser de vários tipos de acordo com a aplicação e o número

de fibras, umas são pressurizáveis ou impermeáveis, outras resistentes ao sol, para

instalação aérea.

A união por fusão é quase tão boa quanto uma fibra sem emendas, no entanto,

mesmo nesse caso há uma pequena atenuação. Nos três tipos de junção podem ocorrer

reflexões no ponto de junção, principalmente se houver imperfeições no processo, e a

energia refletida pode interferir com o sinal. É altamente recomendado testar todo o

circuito de comunicação após modificações, sejam elas simples mudanças entre

conector e fonte/detector ou emendas, pois assim é assegurado a continuidade e

segurança do sistema.

Embora sejam necessários aquisição de equipamentos e treinamento de mão-

de-obra para realização de emendas, está cada vez mais econômico pagar por este tipo

de tecnologia, principalmente para o caso da fusão. As máquinas de fusão atuais são

pequenas e portáteis e ainda de interface amigáveis, bastante intuitivas, o que facilita o

aprendizado, amenizando os custos com treinamento de pessoal.