Redes de alta velocidade
Rede ópticas
Redes ópticas
As características de capacidade e qualidade
de transmissão tornam as fibras óticas (FO)
bastante atrativas em aplicações de
teleinformática dentre as quais destacam-se
as redes de computadores.
Sendo a rede ótica, nada mais que uma rede
de computadores, onde o meio de
transmissão é a fibra ótica.
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A luz visível somente ocupa uma reduzida zona
que vai de 380nm (violeta) até 780nm (vermelho). A
mesma encontra-se entre a zona de ultravioleta,
com longitudes de ondas menores e a zona de
infravermelha, com longitudes de ondas maiores.
Nas telecomunicações por fibra óptica se utilizam as
longitudes de onda do infravermelho por volta de
800nm a 1600nm, sendo os valores preferidos os
de 850, 1300 e 1550nm.
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Espectro eletromagnético
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No vácuo as ondas eletromagnéticos se propagam com uma
velocidade da luz:
co = 299792,456km/s
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Para a propagação no ar se pode tomar com suficiente
aproximação no valor de:
co = 300000km/s = 3 . 108m/s = 3 . 105km/s
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A onda eletromagnética é uma onda transversal. Seu campo
elétrico e magnético oscila perpendicularmente a direção de
propagação.
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A Energia Eletromagnética pode se apresentar das formas mais
diversas. A luz é uma delas.
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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:
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Comprimento de onda = Velocidade da Luz / Frequência
ou lambda = c /f
ou lambda (nm) = 2,997925 x108 (m/s) /f (GHz)
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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.
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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Estes entornos aos comprimentos de Onda de 850, 1300 e de 1500
nm são denominados de Janelas de Transmissão.
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Devemos atentar 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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Índice de refração
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As letras n1 e n2 na figura denotam os chamados Índices de
Refração, que variam conforme os diferentes meios.
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Define-se como sendo o Índice de Refração (n), a relação entre a
Velocidade de Propagação da Luz no Vácuo (Cvac) e, a Velocidade
de Propagação da Luz em um determinado material (Cmat ),
segundo a equação abaixo:
n = Cvac / Cmat
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Em 1621, um Físico Holandês, chamado Willebrord Snell (15911626), equacionou a relação entre os diferentes ângulos em que a
Luz passa de um meio transparente a outro.
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Quando um Raio de Luz passa de um meio transparente para outro,
como ilustramos na Figura, este sofre um deslocamento dado pela
equação abaixo:
n1 .sen Oi = n2 .sen Or
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Ângulo Crítico
Existe o chamado Ângulo Crítico tetaX, onde um Raio de Luz que
incidir sobre uma superfície neste Ângulo, sofrerá um desvio,
fazendo um Ângulo de 90° em relação a Normal e, portanto não
penetrando no outro meio.
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Ângulo Crítico
n1 sen 90 = n1 = n2 sen (ang. Crít)
ang Crít = arc.sen( n1 / n2 )
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Confinamento da luz
Se um raio de Luz entrante sofrer uma primeira reflexão, segundo
um determinado ângulo, refletir novamente e, assim
sucessivamente conseguimos confinar este raio de luz e,
conseguimos fazer com que este se propague.
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Toda fibra óptica tem como característica um ângulo de admissão
(ou de aceitação), que é o ângulo limite de incidência da luz, em
relação ao eixo, para que esta penetre no cabo. Feixes de luz com
ângulo superior ao de admissão não satisfazem as condições para
a reflexão total e, portanto, não são conduzidos (esse ângulo
limitante define um cone de aceitação de luz).
Onde n0 é o índice de refração do meio externo à fibra, n1 é o índice
de refração do núcleo e n2 é o índice de refração da casca.
Em alguns casos se despreza o n0 (ar)
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Define-se como Abertura Numérica (AN), ao ângulo formado entre um
eixo imaginário E localizado no centro da Fibra e, um raio de luz
incidente, de tal forma que este consiga sofrer a primeira reflexão,
necessária para a luz se propagar ao longo da Fibra, conforme a
Figura.
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A abertura numérica de uma fibra é um parâmetro muito utilizado para
calcular sua capacidade de captar e transmitir a luz. Deve-se
ressaltar que a abertura numérica e o ângulo de admissão não
dependem do raio do núcleo.
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Modos de propagação
Soluções espaço-temporais das equações de Maxwell para cada
fibra, caracterizando configurações de campos elétricos e
magnéticos que se repetem ao longo do cabo. Na prática,
representam as diferentes possibilidades de propagação da luz pela
fibra.
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Modos de propagação
Os modos dependem do material, da
geometria e do ângulo de incidência da luz
na fibra. Existem condições limitadoras aos
modos de propagação, isto é, condições a
partir das quais uma propagação não pode
existir.
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Modos de propagação
O número de modos aceitáveis numa fibra são dados a partir
de um parâmetro calculado com as características da fibra, o
chamado número V ou freqüência normalizada, dado por:
Tal que a é o raio da fibra óptica, NA é a Abertura numérica e
lambda0 é o comprimento de onda que está sendo introduzido na
fibra. Importante notar que o número V depende do raio do núcleo
da fibra e do comprimento de onda da luz transmitida.
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Modos de propagação
Existem valores de V para os quais um único modo
pode existir numa fibra óptica (isso ocorre quando
V<2,405). Essa condição caracteriza as fibras ópticas
monomodo,
cujas
aplicações
são
largamente
exploradas, principalmente em aplicações onde uma
capacidade de transmissão muito alta é requerida.
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Se o campo elétrico e o campo magnético oscilam em um plano, o
extremo do vetor de intensidade de campo elétrico ou magnético
descreve uma linha reta. Uma onda deste tipo se diz que está
‘polarizada linearmente’. Se o extremo do vetor descreve uma
circunferência ou, em geral, uma elipse se fala de luz com
‘polarização circular ou elíptica’.
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Vantagens:
Banda passante
A transmissão por fibras óticas é realizada em freqüências óticas
portadoras na faixa espectral de 1014 a 1015HZ.
Perdas de transmissão muito baixas
Apresenta perdas de transmissão baixas, na ordem de 3 a 5dB/km
de atenuação. Portanto, é possível implantar sistemas de
transmissão à longa distância com espaçamento razoavelmente
grande entre os repetidores, o que diminui o custo e a
complexidade.
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Vantagens:
Imunidade a interferências e ao ruído
Por serem compostas de material dielétrico, as fibras óticas, não
sofrem interferências eletromagnéticas.
Isolação elétrica
O material dielétrico que compõe a fibra ótica oferece uma boa
isolação, portanto não possui problemas de aterramento.
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Vantagens:
Segurança da informação e do sistema
Por não irradiar significativamente a luz propagada,
qualquer tentativa de captação de mensagens ao
longo da fibra é facilmente detectada, uma vez que
exige o desvio de grande parte da potência
luminosa.