Fibra Ótica: O Futuro da Comunicação

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Comunicações Óticas para 
Transmissão de Dados 
Aula 03 
 Fibras Óticas 
Professora Ana Cláudia Martins de Souza 
anaclaudia@ice.ufjf.br 
27 de agosto de 2012 
FIBRA ÓTICA: 
O FUTURO DA ESTRADA 
DA COMUNICAÇÃO 
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas 
Fibra ótica 
O uso da fibra ótica tem revolucionado a 
comunicação mundial por ter uma 
capacidade até 1 milhão de vezes maior que 
o cabo metálico. 
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Como surgiu... 
 A comunicação com fibra óptica tem suas 
raízes nas invenções do século XIX 
 
 Um dispositivo denominado Fotofen 
convertia sinais de voz em sinais óticos 
utilizando a luz do sol e lentes montadas 
em um transdutor que vibrava ao entrar 
em contato com o som 
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Como surgiu... 
 Fibra Ótica 
◦ Foi inventada pelo físico indiano Narinder 
Singh Kanpany 
 
◦ Se tornou mais prática durante os anos 60 
com o surgimento das fontes de luz de estado 
sólido, raio lazer e os LEDs (do inglês light-
emitting diodes), e das fibras de vidro de alta 
qualidade livres de impurezas 
 
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Quem se beneficiou... 
 Primeiro 
◦ Companhias telefônicas 
◦ Em conexões de longa distância 
 
◦ Meados da década de 1980 
 Nos Estados Unidos e no Japão 
 Instalaram milhares de quilômetros de cabos de 
fibra óptica para estabelecer comunicações 
telefônicas 
 
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Quem se beneficiou... 
 Em equipamentos médicos projetados 
para examinar o interior do corpo 
◦ Uma vez que as imagens transmitidas podem 
ser ampliadas e manipuladas para permitir 
uma observação mais detalhada de cavidades 
do organismo 
 
 Nos estudos de física e engenharia 
nuclear 
◦ Visualização das operações que se realizam na 
inspeção do núcleo dos reatores 
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Histórico 
 Há 5 milhões de anos homens primitivos iniciaram as 
comunicações ópticas com sinais e gestos visuais: 
 
◦ Século VI a.C.: Ésquilos informou a Argos da queda de Tróia por 
meio de uma cadeia de sinais de fogo 
 
◦ Século II a.C.: Polibio propôs um sistema de transmissão do 
alfabeto grego por meio de sinais de fogo (dois dígitos e cinco 
níveis (52=25 códigos) 
 
◦ 100 a.C.: Vidros de qualidade óptica somente apareceram após o 
surgimento dos famosos cristais venezianos, na Renascença. Os 
princípios da fibra óptica são conhecidos desde a antiguidade e 
foram utilizados em prismas e fontes iluminadas 
 
◦ 200 d.C.: Heron da Alexandria estudou a reflexão. 
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Histórico 
 1621: Willebrod Snell descobriu que quando a luz atravessa dois meios, sua 
direção muda (refração). 
 
 1678: Christian Huygens modela a luz como onda. 
 
 1792: Claude Chappe inventou um sistema de transmissão mecânica para 
longas distâncias (B<1 bps). 
 
 1800: Sr. William Herchel descobriu a parte infravermelha do espectro. 
 
 1801: Ritter descobre a parte ultravioleta do espectro. 
 
 1830: Telégrafo com código Morse (digital) com repetidores chegava a 
1000 km (B=10 bps). 
 
 1866: Primeira transmissão transatlântica de telégrafo. 
 
 1870: John Tyndal mostrou à Royal Society que a luz se curva para 
acompanhar um esguicho d'água. 
 
 1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bell que existe até hoje. 
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Experimento de Tyndall (1870) 
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Histórico 
Século XX: O mundo se enreda de redes telefônicas analógicas: 
 1926: John Logie Baird patenteia uma TV a cores primitiva que utilizava 
bastões de vidro para transportar luz. 
 
 1930-40: Alguns guias de luz foram desenvolvidos de Perplex para iluminar 
cirurgias. 
 
 1940: 1º cabo coaxial transporta até 300 ligações telefônicas ou um canal 
de TV com uma portadora de 3 MHz. 
 
 1948: Os cabos coaxiais apresentam perdas grandes para f>10 MHz. Assim 
surgiu a 1a transmissão por microonda com portadora de 4 GHz. 
 
 1950: Pesquisadores começam a sugerir o uso de uma casca em volta da 
fibra para guiar a luz. Os primeiros "fibrescopes" foram desenvolvidos mas 
o custo ainda é proibitivo. 
 
 1952: O físico indiano Narinder Singh Kanpany inventa a fibra óptica. 
 
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Histórico 
 1964: Kao especulou que se a perda da fibra for somente 20 dB/km, seria 
possível, pelo menos teoricamente, transmitir sinais a longa distância com 
repetidores. 20 dB/km: sobra apenas 1% da luz após 1 km de viagem. 
Objetivos: menor custo e melhores para o transporte da luz. 
 
 1968: As fibras da época tinham uma perda de 1000 dB/km. The Post Office 
patrocina projetos para obter vidros de menor perda. 
 
 1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra óptica com perdas de 
20 db/km. 
 
 1973: Um link telefônico de fibras ópticas foi instalado no EEUU. 
 
 1976: Bell Laboratories instalou um link telefônico em Atlanta de 1 km e 
provou ser praticamente possível a fibra óptica para telefonia, misturando 
com técnicas convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo 
com fibras ópticas foi instalada em Hastings (UK). Rank Optics em Leeds 
(UK) fabrica fibras de 110 mm para iluminação e decoração. 
 
 1978: Começa em vários pontos do mundo a fabricação de fibras ópticas 
com perdas menores do que 1,5 dB/km. para as mais diversas aplicações 
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Histórico 
 1988: Primeiro cabo submarino de fibras ópticas mergulhou no 
oceano e deu início à superestrada de informação. 
 
 2001: A fibra óptica movimenta cerca de 30 bilhões de dólares 
anuais. 
 
 2004: A fibra ótica movimenta cerca de 40 bilhões de dólares anuais 
 
 2007: Fibra óptica brasileira faz 30 anos e o mercado americano de 
sensores com fibra ótica movimentou 237 milhões de dólares 
 
 2009: Prémio Nobel da Física para Charles K. Kao do Standard 
Telecommunication Laboratories, Harlow, UK e da Chinese 
University of Hong Kong, pelo seu trabalho na área de transmissão 
de informação em fibras ópticas 
 
 2014: perspectiva de movimento de 1,6 bilhões de dólares no 
mercado americano de sensores com fibra ótica 
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ESTRUTURA 
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Fibra Ótica 
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Fibra tem espessura similar a um fio de cabelo 
Estrutura 
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Proteção plástica 
 Todo cabo precisa de proteção externa 
 
 Evita que o desgaste natural ou as situações 
anômalas do tempo representem 
interferências no sistema 
 
 Geralmente, essa camada de proteção é 
composta por plásticos, tornando a 
aparência dos cabos de fibra ótica muito 
similar à apresentada por cabos de rede, por 
exemplo. 
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Fibra de fortalecimento 
 Bastante parecida com a que existe em 
cabos coaxiais de transmissão de sinal de 
televisão 
 
 Protege a fibra de vidro de quebras 
◦ Podem acontecer em situações de torção do 
cabo ou impactos no transporte 
 
 Se não existisse 
◦ Qualquer movimento brusco quebraria a fibra 
principal resultando na perda total do sinal 
transmitido. 
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Revestimento interno 
 Também chamado de “Coating” 
 
 Tem função similar à das fibras de 
fortalecimento 
 
 Isola todos os impactos externos 
 
 Evita que a luz natural atinja as fibras de 
vidro internas 
◦ Evitando interferências 
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Camada de refração 
 Nas duas camadas mais internas, ocorre a parte 
mais importante do processo de transmissão de 
luz 
 
 Cobre o filete de fibra de vidro 
 
 Também conhecida como “Cadding” 
 
 É responsável pela propagação de todos os feixes 
 
 Evita perdas no decorrer dos trajetos 
 
 Em um sistema perfeito,essa camada garantiria 
100% de reaproveitamento dos sinais luminosos 
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Núcleo 
 Também chamado de “Core” 
 
 Onde realmente ocorre a transmissão 
dos pulsos de luz 
 
 Construído em vidro 
 
 É por ele que a luz viaja em suas longas 
distâncias 
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Componentes 
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Principais usos 
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TRANSFORMANDO 
DADOS EM LUZ 
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Transformando dados em luz 
 A fibra ótica não envia dados da mesma maneira que os cabos 
convencionais 
 
 Para garantir mais velocidade, todo o sinal é transformado em luz, 
com o auxílio de conversores integrados aos transmissores 
 
 A luz entra no núcleo através de uma das extremidades do cabo e 
é absorvida por suas parede 
◦ Fenômeno denominado reflexão total interna 
 
 Há dois modos de converter os dados: por laser e por LED 
 
 Sem essa conversão, os dados enviados e recebidos não poderiam 
desfrutar das mesmas larguras de banda 
 
 Os cabos de fibra ótica que permitem a velocidade e a qualidade 
superiores às oferecidas pelos tradicionais cabos de cobre 
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MULTIMODO E 
MONOMODO 
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Multimodo e Monomodo 
 Os dois principais modelos de fibras 
óticas existentes atualmente 
 
 São diferenciados em vários aspectos 
◦ desde o custo de produção 
◦ até as melhores possibilidades de aplicação 
 
 Qual deles será mais recomendado para a 
construção de redes de internet? 
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Multimodo e Monomodo 
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Monomodo 
 Só podem atender a um sinal por vez 
 
 Uma única fonte de luz 
◦ na maior parte das vezes, laser 
 
 Envia as informações por enormes distâncias 
 
 Apresentam menos dispersão 
◦ Pode haver distâncias muito grandes entre retransmissores 
 
 Até 80 quilômetros podem separar dois transmissores 
◦ Na prática eles são um pouco mais próximos 
 
 Outra vantagem é a largura da banda oferecida 
◦ Garante velocidades maiores na troca de informações 
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Multimodo 
 Garantem a emissão de vários sinais ao 
mesmo tempo 
◦ Geralmente utilizam LEDs para a emissão 
 
 Recomendado para transmissões de curtas 
distâncias 
 
 Garante apenas 300 metros de transmissões 
sem perdas 
 
 Elas são mais recomendadas para redes 
domésticas porque são muito mais baratas 
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Multimodo 
 De acordo com o perfil da variação de índices de refração da 
casca com relação ao núcleo, classificam-se em 
 
 Multimodo Índice Degrau 
◦ O tipo de perfil de índices e as suas dimensões relativamente 
grandes implicam uma relativa simplicidade quanto à fabricação e 
facilidades operacionais 
 
◦ Apresenta uma capacidade de transmissão bastante limitada 
 
 Multimodo Índice Gradual 
◦ Com uma complexidade média na fabricação e dimensões 
moderadas que implicam uma conectividade relativamente 
simples 
 
◦ Apresenta uma capacidade de transmissão alta. 
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Diferenças na transmissão dos 
feixes de luz 
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Fibra Monomodo 
Fibra Multimodo de Índice Degrau 
Fibra Multimodo de Índice Gradual 
Medidas nas diferentes fibras 
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Vamos aos números 
 Uma conexão banda larga de alta velocidade 
é oferecida com cerca de 10 Mbps, o que 
permite downloads a quase 1,25 MB/s. 
 
 Os padrões de testes da fibra ótica apontam 
para velocidades de 10 Gbps, o que resulta 
em downloads de 1.280 MB/s 
 
 É um aumento considerável, que pode ser 
extremamente importante para quem gosta 
de jogar games online ou baixar muitos 
arquivos pela internet 
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Para quem? 
 Vale dizer que as conexões de 10 Gbps são 
muito potentes e devem custar muito caro, por 
isso são mais recomendadas para grandes 
empresas e universidades, locais em que a banda 
precisa ser muito dividida 
 
 Outra possibilidade é a instalação de padrões de 
fibra ótica em condomínios, que podem 
redividir a conexão para vários computadores 
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Fibra Ótica versus Satélite 
 Satélites 
◦ Meio de transmissão de dados, voz e imagem mais usado para longas 
distâncias, caracterizados por um grande tráfego ponto a ponto 
 
 Fibras Ópticas 
◦ Alternativa mais rápida do que os satélites 
◦ Exemplo: o sistema de transmissão submarino de cabos ópticos que liga 
os EUA a Europa para circuitos de Telefonia, este sistema apresenta 
melhor desempenho (menor atraso) e custos mais baixos em relação 
aos satélites. 
 
 Fibras perdem esta disputa para os satélites em sistemas que 
exigem tráfego multiponto irregular 
◦ A transmissão sai de um lugar para vários outros sem nenhum padrão o 
destino muda a cada minuto 
◦ Exemplo: as aplicações de difusão de TV ou em redes que interligam 
regiões extensas com população esparsa, nestes casos os satélites ainda 
são a melhor opção devido a flexibilidade de configuração 
 
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Fibra Ótica versus Satélite 
 O mundo da comunicação espera um 
avanço das fibras ópticas para as 
aplicações multiponto 
 
 Porém as aplicações do tipo móveis e 
outras ainda tem como melhor opção os 
sistemas de transmissão via satélite 
 
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Fibra Ótica versus Satélite 
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VANTAGENS DAS 
FIBRAS ÓTICAS 
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Imunidade a Interferências Externas 
 São constituídas de materiais com características dielétricas 
◦ Possui total imunidade a qualquer interferência de qualquer 
intensidade que venha do meio externo 
 
 O trafego de informações esta garantido com total fidelidade 
◦ Independente do nível de ruído existente no local em que a fibra 
óptica esteja instalada 
 
 Sua utilização evita problemas com aterramento de cabos e 
equipamentos 
 
 Aspecto de segurança 
◦ São indicados para locais com risco de explosão, por exemplo 
ambientes com presença de gases inflamáveis, já que não existe 
risco de curto circuito, faíscas e choques elétricos. 
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Dimensões Reduzidas 
 Uma das maiores vantagens dos cabos 
ópticos 
◦ Sua espessura 
 
 Um cabo óptico 
◦ Chega a ser 20 vezes mais fino do que os cabos 
convencionais 
◦ Com a mesma capacidade de transmissão 
◦ Não levando em conta os revestimentos 
necessários para sua proteção 
 
 Podemos compará-la com um fio de cabelo 
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Segurança no Trafego de 
Informações 
 A transmissão dos dados é feita através de sinais 
luminosos 
 
 Isso dificulta e muito os “grampos” utilizados para 
obter informações sigilosas 
 
 Para decifrar estes sinais e conseguir absorver 
alguma informação seria necessário equipamento 
sofisticado e muito conhecimento por parte do 
operador 
 
 São utilizadas em aplicações que necessitam de 
maior segurança, como aplicações bancárias, 
militares e de pesquisa. 
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Maior Alcance de Transmissão 
 Possui um baixíssimo índice de perda na comunicação 
 
 As distâncias percorridas pelos cabos ópticos sem 
necessidade de repetidores chega a até 250Km 
 
 Essa distância é 5 vezes maior que a alcançada em 
uma comunicação feita através de microondas 
(50Km) 
 
 Mas a distancia alcançada pelo cabo óptico aumentará 
em breve, já que o desenvolvimento dos 
equipamentos envolvidos na transmissão e recepção 
de dados visa aumentar a potência na transmissão 
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MaiorCapacidade de Transmissão 
 A capacidade de transmissão está relacionada com a frequência das 
portadoras ou do comprimento da onda de luz 
 
 Dependendo do tipo (monomodo ou multimodo), pode-se encontrar 
valores de 160MHz/Km, 500MHz/Km ou centenas de THz/Km 
 
 Sistemas convencionais de micro ondas estão limitados a 700 MHz/Km 
 
 Isto demonstra a possibilidade de expansão do número de canais de voz, 
vídeo e dados no mesmo meio de transmissão 
 
 A fibra não é mais rápida que os meios de comunicação mais comuns 
 
 Duas situações 
◦ Na primeira um automóvel com 5 passageiros a 60Km/h 
◦ Na segunda um trem com 800 passageiros andando nos mesmos 60Km/h 
◦ A velocidade é a mesma 
◦ A quantidade de passageiros e muito maior 
◦ Analogamente, a transmissão de dados por fibra óptica não é necessariamente mais 
veloz que os meios de comunicações mais utilizados, mas sim transmite mais 
informações por vez 
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Relação Custo / Benefício 
 Depende da aplicação 
 
 Um exemplo: sistemas de comunicação a longas 
distâncias, pois os cabos ópticos tem maior 
capacidade de transmissão e maior alcance entre os 
repetidores, enquanto os meios convencionais de 
transmissão por micro ondas tem sua capacidade de 
transmissão limitada a 50Km entre os repetidores. 
 
 Para pequenas distancias os cabos ópticos são 
relativamente caros, mas se levarmos em 
consideração as futuras expansões que deveram 
sofrer as instalações, o custo do cabo óptico passa a 
ser competitivo devido a grande facilidade de 
expansão das fibras ópticas. 
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Ausência de Diafonia 
(Linha cruzada – Crosstalk) 
 Não causam interferência entre si 
 
 Eliminando assim um problema comum 
enfrentado nos sistemas com cabos 
convencionais 
 
 Principalmente nas transmissões em alta 
frequência, eliminando necessidade de 
blindagens que representam parte 
importante do custo de cabos metálicos 
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DESVANTAGENS DAS 
FIBRAS ÓTICAS 
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Fragilidade 
 É infinitamente mais frágil do que os 
cabos convencionais 
 
 Não pode ser manuseada facilmente sem 
estar revestida 
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Dificuldade de Conexão 
 Por terem dimensões reduzidas exigem 
alta precisão em seu manuseio e na 
realização de conexões e junções. 
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Acopladores Tipo T com perdas 
muito altas 
 É muito difícil acoplar cabos ópticos com 
conectores tipo T sem ter altos índices de 
perdas 
 
 Isso faz a fibra óptica inviável para 
utilização em sistemas multiponto 
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Impossibilidade de alimentação 
remota de repetidores 
 Para alimentar um repetidor é necessária 
uma alimentação elétrica independente 
para cada repetidor 
 
 Impossibilitando uma realimentação 
através do próprio meio de transmissão 
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Falta de Padrão dos Componentes 
 O fato da tecnologia de transmissão por 
fibras ópticas estar em constante avanço 
não facilita o estabelecimento de padrões 
para os componentes de sistemas de 
transmissão por fibras. 
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