Fibra Óptica
Jeferson Scheibler
Lucas Brandalise
Pablo Ruas
Fibra óptica
• Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais
poliméricos, com capacidade de transmitir luz.
• A transmissão da luz pela fibra: é lançado um feixe de
luz em uma extremidade da fibra, e pelas características
ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra
através de consecutivas reflexões.
Componentes da Fibra Óptica
• A fibra possui no mínimo duas camadas: O núcleo e o
revestimento
• A transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a
uma diferença de índice de refração entre o
revestimento e o núcleo, sendo que o núcleo possui
sempre um índice de refração mais elevado
• Em muitos casos é utilizado uma capa de cobertura
específica para evitar problemas com cortes e esforços
mecânicos excessivos.
Componentes da Fibra Óptica
• A estrutura básica desses filamentos são cilindros
concêntricos com determinadas espessuras e com
índices de refração tais que permitam o fenômeno da
reflexão interna total.
• Esta característica pode ser conseguida usando-se
materiais dielétricos distintos ou através de dopagens
convenientes de materiais semicondutores
• As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de
índices de refração implicam a existência de diferentes
tipos de fibras ópticas com características de
transmissão.
Tipos de Fibra Óptica
• As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de
suas características básicas de transmissão, com
implicações principalmente na capacidade de
transmissão (banda passante) e nas facilidades
operacionais em termos de conexões e acoplamento
com fontes e detectores luminosos
• Pelo modo de propagação, que pode ser dividido em 2
classes principais: Monomodo e Multimodo
Tipos de Fibra Óptica
Monomodo
• Suas dimensões são menores e tem uma maior
capacidade de transmissão, é construída de tal forma
que apenas o modo fundamental de distribuição
magnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários
caminhos de propagação da luz dentro do núcleo. utiliza
sílica pura e dopada e possui baixa atenuação
Multimodo
• Fibra Multimodo de Índice Degrau:
Pode ser de vários materiais como plástico e vidro.
Essas fibras são limitadas quanto à transmissão,
Atenuação elevada, por isso são utilizadas em
transmissão de dados em curtas distâncias.
• Fibra Multimodo de Índice Gradual:
Esse tipo de fibra tem seu núcleo composto por vidros
especiais com diferentes valores de índice de refração,
os quais tem o objetivo de diminuir as diferenças de
tempos de propagação da luz no núcleo, diminuindo a
dispersão do impulso e aumentando a largura de banda
passante da fibra óptica.
Fibra óptica de plástico
• É uma fibra óptica de multimodo degrau com núcleo
grande, geralmente 1 mm. Suas características
possibilitam melhor manuseio e acoplamento de
conectores sem que seja necessário grande precisão.
• Possuem uma performance muito mais baixa que as
fibras de vidro, apresentam uma perda de 0,15 a 0,20
dB por metro a 650 nm e sua largura de banda é
limitada.
• Sua grande vantagem é o baixo custo, ao passo que a
sua desvantagem é a enorme perda na transmissão e a
não tão boa eficiência em altas temperaturas.
Tipos de Fibra Óptica
Espectro de utilização
Fontes ópticas
Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que
podem ser utilizadas: LED e LASER. Cada um destes dois tipos de fontes
oferecem certas vantagens e desvantagens:
•
•
•
•
•
•
Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se
comparados com os leds: LED da ordem de -7 a -14dBm e LASER da
ordem de 1dBm.
Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o
que proporciona menor dispersão material.
Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que
os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa
linearidade.
Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais
concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de
acoplamento maior.
Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à
temperatura.
Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers
(aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.
Receptores Ópticos
• Após o tráfego das informações na fibra óptica o sinal
tem que ser convertido de sinal ótico para sinal elétrico,
para isso utiliza-se os receptores óticos ou
fotodetectores. Os fotodetectores mais utilizados são os
fotodiodos, e os mais comuns são PIN e APD.
Princípios de funcionamento
• A luz é injetada por um emissor em ângulos próximos da
reflexão total. Em sistemas multimodo o núcleo possui
diâmetro de 62,5 micrômetros e opera com emissores
do tipo LED, provocando um espalhamento da luz em
diversos caminhos. Em sistema monomodo, o núcleo
tem diâmetro de 9 micrômetros e opera com emissores
a laser fazendo com que a luz percorra a fibra em um
único sentido.
Princípios de funcionamento
Características de transmissão
•
Atenuação:
A atenuação (ou as perdas de transmissão) de uma fibra óptica costuma
ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra
de comprimento L e a potência luminosa na sua saída. Os mecanismos
básicos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas são os seguintes:
Absorção
Espalhamento
Curvaturas
Projeto do guia de onda
Também deve-se levar em conta as perdas causadas por emendas e
conexões.
Para uma fibra óptica típica existem três comprimentos de onda utilizados
para transmissão:
850 nm
1300 nm
1550 nm
Perdas por absorção
•
Absorção intrínseca:
Este tipo de absorção depende do material usado na composição da fibra e
constitui-se no principal fator físico definindo a transparência de um
material de numa região espectral especificada.
•
Absorção extrínseca:
A absorção extrínseca resulta da contaminação de impurezas que o
material da fibra experimenta durante seu processo de fabricação.
•
Absorção por efeitos estruturais:
A absorção por defeitos estruturais resulta do fato de a composição do
material da fibra estar sujeita a imperfeições, tais como, por exemplo, a
falta de moléculas ou a existência de defeitos do oxigênio na estrutura do
vidro.
Perdas por espalhamento
É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia
luminosa guiada pelos vários modos de propagação e várias direções.
Existem alguns tipos de espalhamento:
•
Espalhamento Rayleigh:
Está sempre presente devido à existência de não homogeneidades
microscópicas de dimensões menores do que o comprimento de onda, tais
como flutuações de comprimento, flutuações térmicas, separação de fase,
pressão e pequenas bolhas.
•
Espalhamento Mie:
Este espalhamento é verificado quando as imperfeições que causam o
espalhamento citado anteriormente forem de dimensões comparáveis com
o comprimento de onda guiado e principalmente quando houver
sinuosamente do eixo da fibra.
•
Espalhamento Raman e Brillouin Estimulados:
Estes espalhamentos são efeitos não lineares, causados quando a
intensidade de campo na fibra for muito alta.
Perdas por curvatura
•
As fibras ópticas estão sujeitas a perdas de transmissão quando
submetidas a curvaturas que podem ser classificadas em dois tipos:
•
Curvaturas cujos raios de curvatura são grandes comparados com o
diâmetro da fibra (ocorrem por exemplo, quando um cabo óptico dobra um
canto ou uma esquina).
•
Curvaturas microscópicas aleatórias do eixo da fibra cujos raios de
curvatura são próximos ao raio do núcleo da fibra (ocorrem quando as
fibras são incorporadas em cabos ópticos).
3n1 
Rc 
2
2 32
4 (n1  n2 )
2
Fibra monomodo @ 1550 nm: Rc »15mm
Perdas de projeto do guia de onda
•
A potência que se propaga numa fibra óptica não está totalmente confinado
no núcleo. A parte de potência luminosa que se propaga na casca é
atenuada pelas características de atenuação da casca da fibra óptica. É
importante, no projeto de uma fibra óptica com baixas perdas, considerar
as seguintes alternativas:
Garantir que a maior parte da potência luminosa seja confinada no núcleo
da fibra.
Utilizar uma casca com espessura adequada e composta por um material
com perdas comparáveis às do material do núcleo.
Dispersão
São diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam a
energia luminosa, tem por efeito a distorção dos sinais transmitidos Os
tipos de dispersão que predominam nas fibras são:
•
Dispersão modal:
Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e
gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de
propagação que a luz pode ter no núcleo.
•
Dispersão material:
Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as
fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem uma certa
largura espectral finita, temos que cada comprimento de onda enxerga um
valor diferente de índice de refração num determinado ponto.
•
Dispersão de guia de onda:
É provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil
de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do
comprimento de onda da luz.
Fibra Multimodo de Índice Degrau
Vantagens
•
•
•
•
•
Ausência de diafonia: (linha cruzada) - As fibras ópticas não causam
interferência entre si.
Banda passante potencialmente enorme - A transmissão em fibras
ópticas Tem uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo 10.000
vezes superior à capacidade dos atuais sistemas de microondas.
Perdas de transmissão muito baixas – Como possuem atenuação entre
3 e 5 dB/km para operação na região de 1550 nm, as fibras ópticas
apresentam atualmente perdas de transmissão extremamente baixas.
Desse modo, com fibras ópticas e com a tecnologia de amplificadores
ópticos, utilizando amplificadores e não tendo que utilizar repetidores.
Imunidade a interferência e ao ruído - por serem feitas de material
dielétrico, as fibras ópticas são totalmente imunes a ruídos em geral e
interferências eletromagnéticas.
Isolação elétrica - O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõe a
fibra óptica oferece uma excelente isolação elétrica entre os transceptores
ou estações interligadas, não tem problemas com o aterramento e
interfaces dos transceptores.
Vantagens
•
•
•
•
•
Pequenas dimensões e baixo peso - O volume e o peso dos cabos
ópticos é muito inferior ao dos cabos convencionais em cobre, para
transportar a mesma quantidade de informações, facilitando o manuseio e
a instalação dos cabos.
Segurança da informação e do sistema - Qualquer tentativa captação de
mensagens ao longo de uma fibra óptica é facilmente detectada, pois exige
o desvio de uma porção considerável de potência luminosa transmitida.
Flexibilidade na expansão da capacidade dos sistemas - Os sistemas
de transmissão por fibras ópticas podem ter sua capacidade de
transmissão aumentada gradualmente.
Custos potencialmente baixos – Para pequenas distâncias o valor ainda
é elevado, mas para as distâncias mais longa compensa pela não utilização
de repetidores.
Alta resistência a agentes químicos e variações de temperaturas - As
fibras ópticas tem uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua
utilização em diversas aplicações e são menos vulneráveis à ação de
líquidos e gases corrosivos.
Desvantagens
•
•
•
•
•
Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos - O manuseio de
uma fibra óptica "nua" é bem mais delicado que no caso dos suportes
metálicos.
Dificuldade de conexão das fibras ópticas - As pequenas dimensões das
fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na
realização das conexões e junções.
Acopladores tipo T com perdas muito altas - É muito difícil se obter
acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de
perdas.
Impossibilidade de alimentação remota de repetidores - Os sistemas
com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada
repetidor.
Falta de padronização dos componentes ópticos - A relativa imaturidade
e o contínuo avanço tecnológico não tem facilitado o estabelecimento de
padrões para os componentes de sistemas de transmissão por fibras
ópticas.
Janelas de transmissão
São regiões de atenuação mínima, centradas nos comprimentos de
onda de 850nm, 1300nm e 1550nm.
• 850 nm com atenuação típica de 3 dB/km
• 1300 nm com atenuação típica de 0,8 dB/km
• 1550 nm com atenuação típica de 0,2 dB/km
Instalação
Os Cabos óticos necessitam cuidados especiais para instalação,
pois as fibras são materiais frágeis e quebradiços. Devemos
observar que:
• O cabo não deve sofrer curvaturas acentuadas, o que pode
provocar quebra das fibras em seu interior.
• O cabo não deve ser tracionado pelas fibras, e sim pelos elementos
de tração ou aço do cabo.
• A velocidade do puxamento não pode ser elevada..
• Não se deve exceder a máxima tensão de puxamento especificada
para o cabo.
• O cabo deve ser limpo e lubrificado, a fim de diminuir o atrito de
tracionamento.
• Puxa-se o cabo com um destorcedor, para permitir uma
acomodação natural do cabo no interior do duto ou canalização.
Aplicações da Fibra Óptica
• Um sistema básico de telecomunicações é constituído de um
transmissor , onde a informação é codificada , um meio de
transmissão e um receptor , que decodifica ou reconstitui a
informação original.
• Todos os sistemas de transmissão e recepção de dados funcionam
de forma similar ao esquema abaixo.
Rede Telefônica
• Os sistemas troncos exigem sistemas de transmissão (em geral,
digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão,
tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e
as fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e
baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.
• A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem
repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão por fibras
ópticas minimizam os custos por circuito telefônico, oferecendo
vantagens econômicas significativas.
Cabos Submarinos
• Os cabos submarinos convencionais, estão limitados a
espaçamentos máximos entre repetidores da ordem de 5 a 10 km.
• As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os
sistemas de 1300nm, permitem atualmente espaçamentos entre
repetidores em torno de 60 km. Com a implantação dos sistemas de
transmissão por fibras ópticas de 1500 nm, pode-se alcançar até
100 km sem repetidores.
Cabos Submarinos
Cabos Submarinos
Cabos Submarinos
Name
Region
Date
km
Americas-1 South (S1 & S4)
Caribbean
1994
6014
Americas-1 South (S2 & S4)
Caribbean
1994
6014
Americas-1 South (S3)
Caribbean
1994
6014
UNISUR
Atlantic
1995
1714
Brazil Domestic Festoon (Aracaju - Sitio)
Atlantic
1996
200
Brazil Domestic Festoon (Campos - Vitoria)
Atlantic
1996
200
Brazil Domestic Festoon (Joao Pessoa - Recife)
Atlantic
1996
200
Brazil Domestic Festoon (Macae - Campos)
Atlantic
1996
200
Brazil Domestic Festoon (Maceio - Aracaju)
Atlantic
1996
227
Brazil Domestic Festoon (Natal - Joao Pessoa)
Atlantic
1996
223
Brazil Domestic Festoon (Porto Seguro - Ilheus)
Atlantic
1996
100
Brazil Domestic Festoon (Recife - Maceio)
Atlantic
1996
300
Brazil Domestic Festoon (Rio de Janeiro - Macae)
Atlantic
1996
252
Brazil Domestic Festoon (Salvador - Ilheus)
Atlantic
1996
150
Brazil Domestic Festoon (Sitio - Salvador)
Atlantic
1996
200
Brazil Domestic Festoon (Vitoria - San Mateus)
Atlantic
1996
300
Atlantis-2
Trans-Atlantic
1999
12000
Americas-2 (S1-S11)
Latin America
2000
8300
360 Americas / Atlantica-1 (Central Ring)
Latin America
2001
0
360 Americas / Atlantica-1 (South)
Latin America
2001
2200
SAm-1 (Segment A)
Latin America
2001
2155
SAm-1 (Segment G)
Latin America
2001
4386
SAm-1 (Segments B, C, D, E, F)
Latin America
2001
4615
Medicina
•
Confecção de endoscópios com feixes de Fibras Ópticas para
iluminação;
•
Uso de Fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser,
como:
Cirurgias de descolamento de retina;
Desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traquéia);
Desobstrução de vias venosas (“limpeza” de canais arteriais,
evitando pontes de safena);
•
Uso odontológico
Telecomunicações
• A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa
distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas
taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um
repetidor.
Repetidor
TV a cabo
•
As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma
maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem
repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais bandalarga.
Sensores
• Os sensores a fibras ópticos são compactos e apresentam
sensitividades comparáveis ou superiores aos similares
convencionais. São usadas tanto fibras monomodo como
multimodo. Existem muitos sensores comerciais feitos com fibras
ópticas, para medição de temperatura, pressão, rotação, sinais
acústicos, corrente, fluxo, etc...
Sistemas de Energia
• Em sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e os
sistemas de transporte ferroviário. Possuem serviços de telemetria,
supervisão e controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas
podem ser de alguns quilômetros ao longo de linhas de transmissão
ou linhas férreas. O uso de fibras ópticas é atraente em função de
suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação elétrica e
baixas perdas.
Uso militar
• A fibra óptica é usada desde a simples substituição dos cabos de
comunicação até aplicações específicas envolvendo sistemas de
navegação e controle de mísseis ou torpedos guiados por cabo.
• Uma aplicação específica das fibras ópticas no domínio militar é a
dos mísseis teleguiados por cabo.
Outras aplicações
• Fibra óptica em uso decorativo
• Veículos motorizados, aeronaves, navios, instrumentos, etc.
• Rede digital de serviços integrados (RSDI): rede local de
assinantes, isto é, a rede física interligando os assinantes à central
telefônica local.
• Redes de transmissão de dados,
• Interligação de circuitos dentro de equipamentos,
• Aplicações de controle em geral ( fábricas, maquinários), sistemas
de telemetria e supervisão em controle de processos.
Uso Decorativo