Conceitos Básicos de Fibra Óptica (Módulo I)
Este tutorial apresenta um histórico sobre o desenvolvimento da fibra óptica e conceitos básicos sobre a
reflexão da luz. É o primeiro de uma série composta por quatro módulos.
(Versão revista do tutorial original publicado em 03/03/2003).
Luiz Felipe de Camargo Fernandes
Engenheiro Eletrônico (FEI 73), Mestre em Telecomunicações (FEI 86), atuando há mais de 20 anos
somente em Telecomunicações, com enfoque em Sistemas Ópticos, Redes tipo LAN, Acesso, MAN, WAN
e, Proteção.
Fez cursos na Alemanha, USA, Japão, Espanha, Inglaterra.
É Especialista em Sistemas Ópticos, com várias publicações, tendo participando também como Chairman e
Palestrante de Seminários promovidos pelo IBC, Sala 21 de São Paulo, IIR, TELEXPO, entre outros.
Elaborou todas as especificações e realizou testes completos em equipamentos DWDM, no Brasil,
Argentina, Suécia, França, Alemanha e Áustria.
Foi Gerente na ERICSSON e na TELESP/TELEFONICA, tendo atuado em projetos como a Rede de Aceso
Rápido à Internet (Speedy), Rede ATM, Rede L.D., Redes Ópticas e ASON.
Em 2001 deixou a TELEFONICA, para fundar a TELECOMM CONSULTING S/C LTDA.
Integrou a equipe do Teleco para contribuir na área de Sistemas de Telecomunicações Fotônicos.
Email: [email protected]
Categoria: Redes Ópticas
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 24/08/2009
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Fibra Óptica I: Histórico
O termo Fibra Óptica foi empregado pela primeira vez em 1.956, pelo Dr. N. S. Kapany que fazia parte de
uma equipe do Laboratório Bell (USA), composta por ele e pelos Doutores, A. L. Schawlow e C. H. Townes,
quando apresentaram os planos para a construção do primeiro LASER, a ser usado em Sistemas de
Telecomunicações.
1961
O Dr. Elias Snitzer, da Americal Optical (USA), divulgou um trabalho explicando como seria a Fibra
Óptica, embora naquela época, não se tivesse a tecnologia para fabricá-la.
1964
Os Doutores Charles Kuen Kao e G. A. Hockham, do Laboratório da Standard Telecommunications
– ITT (UK), enviaram a British Association for the Advancement of Science uma especificação de
requisitos necessários para uma que Fibra Óptica pudesse ser usada como um guia de ondas em
Redes de Telecomunicações de Longa Distancia, ao invés de cabos metálicos.
Nesta especificação, para que uma Fibra Óptica pudesse ser usada com êxito, a perda ou atenuação
da luz que se propagava, devia ser no mínimo da ordem de 20 dB por km (decibéis por kilometro).
Nesta época as perdas nas Fibras Ópticas então disponíveis, eram da ordem de 1.000 dB / km.
Os Drs. Kao e Hockham também preconizaram a necessidade de se ter um vidro de altíssima pureza
na fabricação da Fibra Óptica como forma de reduzir as perdas ou atenuação da luz propagante.
1970 Uma equipe da Corning Glass Works (USA), constituída por Robert Maurer, Donald Keck e Peter
Schultz, conseguiu atender a especificação de requisitos apresentada pelos Drs. Kao e Hockham;
fabricando uma Fibra Óptica com atenuação da ordem de 20 dB por km e a patentearam (Patent #
3.711.262) chamando-a de Guia de Fibra Óptica (Optical Waveguide Fiber).
1972 A Corning já conseguia fabricar, em pequena escala, para testes em laboratório, Fibras Ópticas com
atenuações da ordem de 4 dB por km. Hoje em dia as atenuações das Fibras Ópticas, dependendo dos
comprimentos de onda utilizados, situam-se entre 0,2 e 0,4 dB por km.
1975 Com este desenvolvimento, tornaram-se possíveis Sistemas de Telecomunicações Ópticos e assim em
1.975 foi instalado para a Polícia de Dorset, na Inglaterra, o primeiro link de Fibra Óptica, operando
comercialmente. A escolha de um link de Fibra Óptica deveu-se ao fato que um raio tinha
anteriormente danificado todo o Sistema de Telecomunicações do Departamento Policial e pesou na
escolha deste sistema o fato de que a Fibra Óptica é imune a descargas elétricas e interferências
elétricas. Neste mesmo ano o Governo Americano interligou com Fibras Ópticas a Rede Local do
Sistema NORAD (Sistema de Defesa) localizados no interior da Montanha Cheyenne.
1976
Foi implantado pela Western Electric em Atlanta, um link de Fibra Óptica com extensão de 2,5 km,
para voz, dados e imagens, á uma taxa de 44,7 Mb/s (Megabits por segundo).
1977 Foi instalado pela Bell, no centro de Chicago, utilizando um cabo multi fibras, a primeira Rede Óptica
de uma Empresa de Telecomunicações. Tinha a capacidade de transportar 54 Mb/s e a distância entre
os Centros Telefônicos era de 2,6 km. Neste mesmo ano foi instalado pela General Telephone and
Electronics um Sistema Óptico de 6 Mb/s em Long Beach, Califórnia.
1980 O Sistema Bell inaugura em 1980 a primeira Rede Óptica Nacional, interligando a Capital
Washington á cidade de Cambridge, no estado de Massachusetts.
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1988
Em Dezembro de 1.988, foi inaugurada a primeira Rede Óptica Internacional, pelo lançamento do
Cabo Óptico Submarino TAT – 8, usando Laser de 1,3 micrômetros em Fibra Monomodo.
1991 No início de 1.991, a NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) no Japão, demonstrou a
transmissão de Solitons, através de um milhão de kilometros de Fibra Óptica.
2002
Mais de trinta anos se passaram, desde a fabricação da primeira Fibra Óptica, e neste ano mais de 80
% de todo tráfego do mundo, é escoado através de Fibras Ópticas, sendo a sua utilização cada vez
maior.
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Fibra Óptica I: Fibra Óptica e Luz
Fibra Óptica
A Fibra Óptica vem a ser um meio físico de transmissão, cada vez mais utilizado em Redes de
Telecomunicações que, quando conectada a equipamentos adequados, permite trafegar voz, dados e
imagens, a altas taxas, com velocidades muito próximas a velocidade da luz.
Assim sendo, o emprego de Cabos de Fibra Óptica, aonde circula luz, na forma de fótons, é cada vez mais
freqüente e vem substituindo os chamados Cabos Metálicos, como os Cabos de Pares, Cabos de Tubos
Coaxiais e, outros, aonde circula eletricidade na forma de elétrons.
Na Fibra Óptica a luz é confinada em um filamento cilíndrico muito longo, de diâmetro extremamente
pequeno, o qual é predominantemente feito de vidro de sílica com alto grau de pureza ou, para algumas
aplicações, é feito de plástico especial.
Luz
A Energia Eletromagnética pode se apresentar das formas mais diversas. A Luz é uma delas.
A Luz é constituída por fótons, que viajam, no vácuo absoluto, a uma Velocidade (Cvac) de 2,997925 x 108
m/s (metros por segundo).
Define-se como Comprimento de Onda (lambda), cuja unidade, será definida por nós como nm ao produto
da Velocidade (Cvac) pelo inverso da Freqüência (f) cuja unidade, será definida como GHz, segundo a
equação abaixo:
Velocidade da Luz
Comprimento de onda =
Frequüência
ou
λ=c/f
ou
λ (nm) = 2,997925 x 108 (m/s) / f (GHz)
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Fibra Óptica I: Espectro Eletromagnético
Tabela 1: Espectro Eletromagnético
1022
1021
Raios Cósmicos
ZHz
1020
1018
Raios Gama
EHz
PHz
1014
1012
Luz Visível
THz
1010
109
Raios X
Luz
Ultravioleta
1016
1015
Luz
Infravermelha
Radar
GHz
108
FM e TV
107
Ondas Curtas
106
Tabela 2: Região da Radiação Luminosa
MHz AM
A Tabela 1 nos mostra o Espectro Eletromagnético e, a Tabela 2 dá ênfase na Região da Radiação
Luminosa. As fontes de luz utilizadas nas Fibras Ópticas possuem comprimentos de onda, acima de 850 nm,
ou seja, na Região de Radiação Infravermelha, que é invisível ao olho humano.
No início do desenvolvimento dos Sistemas Ópticos, para Fibras Ópticas feitas de vidro de sílica, foram
usados como fonte de luz, dispositivos LED (Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz), operando
com comprimentos de onda no entorno de 850 nm e posteriormente, com o advento dos dispositivos
LASERS (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation), além deste comprimento de onda,
foram estes dispositivos inicialmente fabricados no entorno de 1 310 nm como é mostrado na Figura e,
posteriormente 1 550 nm.
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Figura 1: Janelas de Transmissão
Estes entornos aos comprimentos de Onda de 850, 1300 e de 1500 nm são denominados de Janelas de
Transmissão.
O leitor deve atentar na Figura que a Potência Óptica da Radiação Luminosa de um LASER é muitas vezes
superior a de um LED e, também que a Largura Espectral, de um LASER do tipo ILD (Injection LASER
Diode) é aproximadamente de 1 a 3nm e, de um LED é da ordem de 30 a 50 nanômetros .
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Fibra Óptica I: Reflexão da Luz
Luz Incidente
Se a Fonte de Luz se situar muito distante, como se estivesse no infinito, prova-se que estes Raios de Luz
propagam-se de forma paralela, como é esboçado na figura 2.
Figura 2: Raios de Luz no infinito
Vamos considerar uma Superfície Plana e Regular, onde um Raio de Luz irá incidir sobre a mesma. Este
Raio será denominado Luz Incidente (figura 3). Esta Luz Incidente pode ter Polarização, com componentes
Paralelos e, também Perpendiculares a esta superfície.
Figura 3: Luz Incidente
Reflexão da Luz
Quando um Raio de Luz incidente atinge uma superfície, este Raio de Luz poderá sofrer um desvio.
Este fenômeno é denominado de Reflexão, conforme ilustrado na figura 4, onde se nota um Raio de Luz que
está como se saísse da superfície.
Figura 4: Raio Incidente e Raio Refletido
Ângulo de Incidência
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O Ângulo pelo qual o Raio de Luz incide á superfície, que pode ou não apresentar o fenômeno da Reflexão
da Luz, é chamado de Ângulo de Incidência (OI).
O Ângulo de Incidência OI é medido a partir de uma linha imaginária, perpendicular ao plano da superfície,
chamada de Normal, que refletiu o Raio de Luz, conforme podemos ver na figura 5.
Figura 5: Ângulo de Incidência
Ângulo de Reflexão
Define-se o Ângulo de Reflexão (Or) sendo o ângulo formado a partir de uma linha imaginária,
perpendicular ao plano da superfície e o Raio de Luz, que foi refletido conforme podemos ver na figura 5.
Figura 5: Ângulo de Reflexão
Note se que o Ângulo de Incidência (Oi) do Raio de Luz Incidente é igual ao do Ângulo de Reflexão (Or),
do Raio de Luz Refletido, conforme esta indicado na figura 6.
Figura 6: O Ângulo de Incidência é igual ao Ângulo de Reflexão
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Fibra Óptica I: Reflexões em Superfícies Regulares
Quando uma Fonte de Luz, situada no infinito emite múltiplos Raios de Luz, cada um destes Raios de Luz,
tem um comportamento individual, totalmente independente dos demais.
Se observarmos a figura 7 veremos múltiplos Raios de Luz, incidindo sobre uma superfície e, para
diferenciá-los, somente para fins didáticos, cada um deles foi desenhado de cor diferente.
Figura 7: Reflexão de múltiplos raios de Luz
Portanto, conforme mostra a figura, quando estes Raios de Luz atingem uma Superfície Regular, isto é, plana
e sem rugosidades, como a Superfície de um Espelho Plano, estes sofrem uma Reflexão como já descrita,
com os Ângulos de Incidência (Oi) de cada um destes Raio de Luz Incidentes e Paralelos, sendo iguais a
cada um dos Ângulo de Reflexão (Or), dos Raios de Luz Refletidos.
Este tipo de Reflexão é chamado de Reflexão Múltipla Regular ou Reflexão Especular.
Assume-se neste caso que, a Reflexão neste Espelho Plano seja total, o que significa que todos os Raios de
Luz Incidentes são Refletidos. Caso este Espelho Plano não refletisse cem por cento destes Raios de Luz,
alguns destes Raios seriam absorvidos ou passariam através dele.
A título de curiosidade, muitos pesquisadores e cientistas afirmavam, em passado recente, que um Espelho
que refletisse toda luz incidente, era uma abstração teórica e que na pratica tal coisa não era possível.
Entretanto em 1.998 cientistas, provaram que isto era possível e, fizeram o espelho ideal ou perfeito,
empilhando alternadamente camadas microscópicas de Telúrio (Elemento puro da Natureza, que se encontra
na Tabela Periódica dos Elementos) e Poliestireno (tipo Especial de Plástico).
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Fibra Óptica I: Reflexões em Superfícies Irregulares
Quando repetimos o procedimento descrito na seção anterior, mas ao invés de usarmos uma Superfície
Regular, isto é, plana sem rugosidades, usamos uma Superfície Irregular, como ilustra a figura 8,
observaremos que cada um dos Raios de Luz se comporta de maneira independente e, embora todos
possuam o mesmo ângulo de incidência, os ângulos de reflexão são totalmente distintos, ocorrendo a
chamada Reflexão Irregular ou Difusa.
Figura 8: Reflexões em superfície irregular
Este fenômeno pode ser normalmente observado quando a Luz atinge paredes e superfícies, fazendo com
que a Luz seja Refletetida de forma Difusa.
Reflexões em Superfícies Côncavas
Se a Superfície de Incidência dos Raios de Luz for Regular, mas não for Plana, ela pode ser Côncava ou
Convexa, conforme o tipo de curvatura que essa superfície possui.
Se a superficie for como a de um Espelho Côncavo, os Raios de Luz Paralelos que incidirem sobre a
superfície serão Refletidos convergindo para um determinado ponto, como mostra a figura 9.
Figura 9: Reflexões em superfície côncava
Reflexões em Superfícies Convexas
Caso a forma da superfície do espelho ao invés de Côncava for Convexa, os Raios de Luz Paralelos que
incidirem sobre a superfície serão Refletidos em forma de leque, como mostra a figura 10.
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Figura 10: Reflexões em superfície convexa
Meio Transparente
Meio Transparente é aquele no qual a Luz consegue se propagar sem dificuldades, conforme ilustra a figura
11, onde vemos que os Raios de Luz conseguem facilmente atravessar este meio e, também conseguem
manter o seu paralelismo.
Figura 11: Propagação em meio transparente
Meio Translúcido
Meio Translúcido é aquele, onde os Raios de Luz tem dificuldades para passar, podendo sofrer, como mostra
a figura 12, alterações da trajetória dos Raios de Luz, bem como, absorção por este meio.
Figura 12: Propagação em meio translúcido
Meio Opaco
Meio Opaco é aquele, onde os Raios de Luz não conseguem passar, como por exemplo, por uma parede de
tijolos. A figura 13 dá uma idéia do exposto.
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Figura 13: Propagação em meio opaco
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Fibra Óptica I: Teste seu Entendimento
1. Assinale a alternativa correta:
Em uma Fibra Óptica circulam Fótons.
A Velocidade da Luz não varia de acordo com o Meio.
As perdas em dB/Km, de um Cabo Coaxial, ou de um Guia de Ondas são muito mais baixas, quando
comparadas com os de uma Fibra Óptica.
As Fibras Ópticas só podem ser feitas de Vidro de Sílica.
2. Assinale a alternativa correta:
Na Reflexão Difusa os Raios refletidos são Paralelos.
A Reflexão não ocorre em uma Superfície Irregular.
Um Espelho Concavo serve para concentrar os Raios de Luz.
A Reflexão Múltipla Regular é o inverso da Reflexão Especular.
3. Assinale a alternativa incorreta:
Um Espelho Convexo pode Refletir todos os Raios de Luz Incidentes.
Raios de Luz podem ser paralelos.
Em um Meio Translúcido, a Luz o atravessa normalmente.
A Luz não se propaga em um Meio Opaco.
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