sel310-A25 Fibra optica Sel310 612

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Guia Dielétrico: Fibra Óptica
SEL 310/612 Ondas Eletromagnéticas
Amílcar Careli César
Departamento de Engenharia Elétrica da EESC-USP
Atenção!
� Este material didático é 
planejado para servir de apoio 
às aulas de SEL-310 E SEL-612: 
Ondas Eletromagnéticas, 
oferecida aos alunos 
regularmente matriculados no 
curso de engenharia de curso de engenharia de 
computação.
� Não são permitidas a 
reprodução e/ou 
comercialização do material.
� solicitar autorização ao 
docente para qualquer tipo de 
uso distinto daquele para o 
qual foi planejado.
2SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL13/06/2012
UV-Visível-IR
100-280
UV-C
280-315
UV-B
315-380
UV-A
visível
ultra-violeta
3SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
380-440 440-495 495-558 580-640 640-750
750-1400
IR-A
1400-3000
IR-B
3000-10000
IR-C
visível
infra-vermelho λ , nm
13/06/2012
Fotofone de Graham Bell
refletor
diafragma
móvel
Sol
Alexander Graham Bell
patenteou o 1o sistema de
comunicações ópticas
em 1880.
Alexander Graham Bell
patenteou o 1o sistema de
comunicações ópticas
em 1880.
13/06/2012 4SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
200
 metros
de
 distância
alto-falante
refletor
parabólico
célula de 
Selênio
corneta
bateria
Guiamento de luz por meio dielétrico
�Daniel Collodon
e Jacques Babinet
em 1840
�John Tyndall
repetiu a 
experiência e a 
popularizou
em 1854
�D. Hondros e P. 
John Tyndall
2 agosto 1820
4 dezembro 1893
County Carlow,
Irlanda
Jean-Daniel Colladon
15 Dezembro 1802
30 Junho 1893
�D. Hondros e P. 
Debye
desenvolveram a
teoria de guias 
dielétricos
em 1910
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 5
http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber ; www.i-fiberoptics.com/educ/Tyndall.pdf
30 Junho 1893
Genebra, Suiça
Jacques Babinet
5 Março 1794
21 outubro 1872
França
Parte da história das comunicações ópticas
Laser
HeNe
Laser 
Semicondutor
Fibra óptica
100 dB/km
Fibra óptica
20 dB/km
Corning Glass
Bell Labs
Em Chicago
47 Mbps
Voz, dados, vídeo
1,15 μm
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 6
http://photonics.usask.ca/interestingtopics/files/Laser%20Invention/LaserHistory.pdf
http://www.ofsoptics.com/labs/history.php
HeNe Semicondutor100 dB/km Corning Glass Voz, dados, vídeo
1960 1966 1970 19771964
Artigo
Kao
1971
Prêmio Nobel 2009 Física
13/06/2012 7SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
O Estado de São Paulo, 6 de outubro de 2009
Fibra óptica
� Guia dielétrico
� Geometria cilíndrica
� Guiamento na direção do eixo
� Capacidade de informação depende da estrutura
� Atenuação reduzida
� Alta capacidade de transmissão de informação
� Dimensões reduzidas
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 8
� Dimensões reduzidas
� Baixo peso
� Imunidade a interferência eletromagnética
� Imunidade a diafonia (linha cruzada)
� Não gera interferências
� Proteção contra “grampos”
� Abundância de matéria prima (quartzo)
Estrutura da fibra óptica
�Fibra de média e baixa perdas
�núcleo de vidro
�casca de vidro ou plástico
�Fibra de alta perdas
�núcleo e casca de plástico�núcleo e casca de plástico
�Recapeamento de plástico
�elástico e resistente
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 9
recapeamentonúcleo casca
n1 n2< n1
Janelas de transmissão
3
4
5
6
p
e
r
d
a
,
 
d
B
/
k
m
pico de 
absorção OH-
1a janela
~ 2,5 dB/km; 0,85 µm
2a janela
~ 0,5 dB/km; 1,3 µm 3
a janela
~ 0,25 dB/km
1,55 µm
10SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
0
0,7
1
2
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
p
e
r
d
a
,
 
d
B
/
k
m
comprimento de onda, µm
1,55 µm
IVUV
13/06/2012
Largura de faixa da fibra
2
3
4
P
e
r
d
a
 
f
i
b
r
a
 
ó
p
t
i
c
a
,
 
d
B
/
k
m
~ 25 THz
11SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
0
1
2
1,4 1,5 1,6P
e
r
d
a
 
f
i
b
r
a
 
ó
p
t
i
c
a
,
 
d
B
/
k
m
comprimento de onda, mm
1,3
~ 25 THz
13/06/2012
Fibra, amplificação e canais WDM
a
t
e
n
u
a
ç
ã
o
 
(
d
B
/
k
m
)
SO C UL
Raman túlio érbioamplificação
E
d
i
s
p
e
r
s
ã
o
 
(
p
s
/
n
m
.
k
m
)
Fibra
convencional
Faixa
(nm)
OO (original) EE (extended) SS (short) CC (conventional) LL (long) UU (ultra-long) Total (nm)
1260-1360 1360-1460 1460-1530 1530-1565 1565-1625 1625-1675 415
OH —
12SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
a
t
e
n
u
a
ç
ã
o
 
(
d
B
/
k
m
)
d
i
s
p
e
r
s
ã
o
 
(
p
s
/
n
m
.
k
m
)
convencional
Lucent AllWave
comprimento de onda (nm)
canais WDM (> 8: D(ense)WDM)
...
13/06/2012
20
25
30
35
40
45
E
x
a
b
y
t
e
s
p
o
r
 
M
ê
s
Jogo Online
Videochamada
VoIP
Web/Dados
Cisco: Previsão de Tráfego Global de Internet (Consumidor)
27%
15%
10%
0
5
10
15
20
2009 2010 2011 2012 2013 2014
E
x
a
b
y
t
e
s
Ano
Web/Dados
Compartilhamento de Arquivo
Internet Vídeo para TV
Internet Vídeo
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 13
Ref.: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2009–2014
Cisco Hyperconnectivity and the Approaching Zettabyte Era
exa: 1018
VoIP: voz sobre Internet Protocol
46%
Tecnologias de acesso 
Tecnologia Down/Up (Mbps) Nota
ADSL 2+ 24/3,5 Par de fios
Cable modem 300/100 Coaxial
WiMAX 70 Brasil: 2,6; 3,5 e 5 GHz
Wi-Fi 11 a 54
4 G LTE 50 (efetiva 5-10 Mbps) 1800; 2500 MHz
GPON (2,5 Gbps) 155/19,5
Fibra óptica; split
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 14
GPON (2,5 Gbps) 155/19,5
Fibra óptica; split
16/32/64/128
EPON (1,0 Gbps) 62,5/31,3 Fibra óptica; split 16/32
Par de fios, cabo coaxial; sem fio; fibra óptica
ADSL: 25 Mbps a 300 m; 16 Mbps a 2 km; 800 kbps a 5 km; cobre 0,4 mm
WiMAX:Worldwide inter-operability for microwave access, 6 a 9 km; Brasil: concessão blocos de 5 MHz; max 30 MHz
LTE: long term evolution; baseado em IP
GPON: Gigabit passive optical network
EPON: Ethernet passive optical network
Cenário de banda de alguns serviços
Serviço
Downstream
(bps)
Upstream 
(bps)
HDTV (vários canais) 30 M 50 k
SDTV (vários canais) 8 M 50 k
Jogo on line 10 M 10 M
Videoconferência / aprendizado 3 M 3 M
VoIP 110 k 110 k
HSI 5 M 2 M
Navegação multimidia 8 M 2 M
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 15
Navegação multimidia 8 M 2 M
Trabalho em casa 4 M 2 M
Total (estatística) 68 M 19 M
k: 103; M: 106
HDTV: High-definition television; 
SDTV: Standard-definition television
HSI: High speed interface; VoIP: Voice over Internet Protocol
Ref.: R. W. Heron et al., “Technology Innovations and
Architecture Solutions for the Next-Generation Optical 
Access Network”, Bell Labs Technical Journal 13(1), 
163–182 (2008)
Ref.: The International Cablemakers Federation (ICF)
http://www.icf.at/en/6000/how_much_bandwidth.html
Padrão MPEG-2 (Mbps) Típico (Mbps) MPEG-4 (Mbps) Típico (Mbps)
SDTV 2 - 5 3 1,5 - 2 1,5
HDTV 15 - 20 16 5 - 10 8
Perfil de Índice de Refração e Dimensões
n1
n2
multimodo
degrau
multimodo
gradual
monomodo
degrau
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 16
125 125 125
núcleo
50 50 10 µm
casca
valores típicos
Cone de aceitação 
n2 < n1
n1
13/06/2012 17SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
n2
cone de
aceitação
Fibra Índice Degrau Multimodo
Pulso
de
Entrada
Pulso 
de
Saídan2 < n1
13/06/2012 18SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
L
n2
n1
Transmissão através de várias camadas
n5
n4
n
raio
13/06/2012 19SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
n3
n1
n2
Fibra Índice Gradual Multimodo-1Pulso 
de
Entrada
Pulso 
de 
Saídan2 < n1
n1
passo (“pitch”)
13/06/2012 20SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
L
n2
n1
n1
Fibra Índice Degrau Monomodo
Pulso
de
Entrada n2 < n1
Pulso
de
Saída
13/06/2012 21SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
n2
n1
L
Abertura numérica-1
θi
θc
n1
n <n
n0=1 θr =θc
n2<n1
090
c
θ−
22SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
n2<n1
0
0 1
sen( ) sen(90 )
i c
n nθ θ= −
Na interface n1:n0
1
sen( ) cos( )
i c
nθ θ=
13/06/2012
Abertura numérica-2
θi
θc
n1
n2<n1
n0=1 θr =θc
n2<n1
090
c
θ−
23SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
0
0 1
1
2 2
1
sen( ) sen(90 )
sen( ) cos( )
Mas, cos( ) 1 sen ( ) e sen( ) 1 sen
i c
i c
c c i c
n n
n
n
θ θ
θ θ
θ θ θ θ
= −
=
= − = −
Na interface n1:n0
13/06/2012
Abertura numérica-3
θi
θc
n1
n2<n1
n0=1 θr =θc
n2<n1
090
c
θ−
24SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
Na interface n1:n2
0
1 2
sen( ) sen(90 )
c
n nθ =
2
1
sen( )
c
n
n
θ =
13/06/2012
Abertura numérica-4
θi
θc
n1
n2<n1
n0=1 θr =θc
n2<n1
090
c
θ−
2
25SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
2
2 22
1 1 2
1
sen( ) 1
i
n
n n n
n
θ
  = − = −   
2 2
max 1 2
sen( )NA n nθ= = −
NA: abertura numérica
13/06/2012
Exemplo: abertura numérica
θι=320
θc
n1=1,5
n2=1,4
n0=1 θr =θc090
c
θ−
n2=1,4
26SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
n2=1,4
2 2
max 1 2
sen( )NA n nθ= = −
2 21,5 1, 0, 54 39NA = − =
1 0
max
sen (0,539 32)θ −= =
13/06/2012
Processo MCVD e pré-forma
tubo de sílica
SiCl4
Vapores
químicosO2
SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
movimento
GeCl4
BCl4
MCVD: modified chemical vapor deposition
deposição
13/06/2012 27
Torre de puxamento e pré-forma
prendedor
pré-forma
aquecimento
monitor
de espessura
SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL13/06/2012 28
pré-forma
a pré-forma possui, tipicamente,
10 mm de diâmetro e
60 a 90 cm de comprimento.
de espessura
aplicador de
revestimento
rolo
torre de puxamento 
Revestimento da fibra e fabricação do cabo
Fonte: catálogo da Pirelli
Desalinhamentos
d
Lateral 
2a1 2a2
Fibras diferentes 
SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
s
2a
Longitudinal 
cone de recepção
3013/06/2012
Soldagem de fibras por fusão
fibra
SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
estágio de precisão estágio de precisão
soldador
por 
arco voltáico
perdas de 0,1 dB
podem ser obtidas
3113/06/2012
Central de comutação
Central
de
Comutação
Central
de
Comutação
Central
de
Comutação
Central
de
Comutação
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 32
concentraçãoconcentraçãoentradasentradas saídassaídasconcentraçãoconcentraçãoentradasentradas saídassaídas
Cabos metálico e de fibra: comparação
Característica Cabo telefonia Cabo fibra óptica
Característica Metal Fibra
Tipo RG-19/U (coaxial) Típica
Atenuação (dB/km) 22,6 (100 MHz) 5,0
Diâmetro externo (mm) 28,4 2,5 mm (1 fibra)
Peso (kg/km) 1110 6,0
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 33
Característica Cabo telefonia Cabo fibra óptica
Diâmetro (mm) 900 pares trançados 144 fibras
Capacidade individual (canais) 70 12,7
Capacidade total (canais) 24/par (T1) 672 canais/fibra (T3)
Comparação 21600 96768
- 4,5 vezes mais capacidade
Diâmetro 5 vezes menor
Cabos de fibras
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 34
Estruturas de cabos ópticos submarinos
folha de cobre
folha de polietileno
fios de aço galvanizado
folha de polipropileno
13/06/2012 35SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
cabo Pirelli dupla armação
fibras ópticas
bastão plástico helicoidal
fio de aço central
dupla camada de fios de aço
folha de cobre
Cabo óptico para-raios (OPGW)
� Solução mais adequada
� Imunidade às interferências 
é fator decisivo na adoção
� Atenuação reduzida permite 
o uso em trechos longos
� Instalação não requer 
alteração na infra-estrutura 
OPGW
alteração na infra-estrutura 
já instalada
� 10 sistema instalado no 
Brasil foi em Tucuruí, em 
1984
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 36
Estrutura do cabo óptico para-raios
elemento central de sustentação
tubinho de proteção plástico
fibra óptica
preenchimento
13/06/2012 37SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
enfaixamento
capa de alumínio
fios de liga de alumínio
1 dos tipos de cabo da Pirelli
Aplicação em sistemas
�Monomodo
– Enlaces de curta e longa distâncias
• entroncamentos urbano, interurbano, submarino
• transmissão de telefonia básica, dados, CATV
– Fonte : LASER
�Multimodo
13/06/2012 38SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL
�Multimodo
– Enlaces de curta distância
• redes de computadores (Local Area Network-LAN)
• transmissão de dados, voz, vídeo
– Fonte : LED ou LASER
Máquina de soldar fibras
Máquinas de
soldagem
Kits para clivagem
www.furukawa.com
Iluminação com fibra óptica
Decoração
Exterior
Exterior
SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 40
Decoração
Fonte luminosaLetreirosTeatro
13/06/2012
Vídeos
http://www.youtube.com/watch?v=llI8Mf_faV
o
http://www.youtube.com/watch?v=dOyKdJWP
lZY
Como a fibra é fabricada
Instalação submarina
Cabo Africa
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 41
http://www.youtube.com/watch?v=XQVzU_YQ
3IQ&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=dW0Fp-
bbKWI&feature=fvw
Mapas de cabos ópticos
13/06/2012 SEL310/612 Ondas Eletromagnéticas Amilcar Careli César USP EESC SEL 42
Ref: www.cablemap.info/
Ref.: www.teletime.com.br/especiais/backbones/provedores.htm