AULA 2

Prévia do material em texto

REDES II – LONGA DISTÂNCIA E 
DE ALTO DESEMPENHO 
AULA 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Gian Carlo Brustolin 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
As redes ópticas de transmissão são, na atualidade, o mais fiel exemplo 
de redes de longa distância e alto desempenho. Com qualidade de serviço acima 
de todas as demais tecnologias cabeadas ou sem fio, as redes ópticas podem 
ser operadas em condições inóspitas, como em cabos submarinos, e por 
distâncias transcontinentais, em altíssimas taxas de transmissão. Consistem em 
redes normalmente de comutação pública, embora existam alguns exemplos de 
redes ópticas privadas, como a operada pelas universidades brasileiras, e 
modelos híbridos. Nesse modelo, companhias privadas locam fibras escuras de 
operadoras ou compartilham investimentos de iluminação de fibras. 
Assim, nesta aula, estudaremos as redes ópticas, não apenas os 
conceitos teóricos da comunicação óptica, mas também alguns aspectos 
práticos de engenharia de redes ópticas e de entrega de serviços. Iniciaremos 
por meio da introdução dos elementos de propagação óptica, dos componentes 
de rede e da modulação óptica. 
TEMA 1 – INTRODUÇÃO ÀS REDES ÓPTICAS E SUA EVOLUÇÃO 
Redes ópticas são soluções ótimas para a transmissão de alta capacidade 
por distâncias hipoteticamente ilimitadas. Sua capacidade elevada de 
transmissão, associada à imunidade a ruídos e intereferências eletromagnéticas, 
a tornaram o meio preferido também em transmissão de dados para médias 
distâncias, ou mesmo para enlaces locais de poucas centenas de metros (Keiser, 
2014, p. 2). 
Originalmente, as infraestruturas de telecomunicações em fibras ópticas 
(FO) tinham um foco estrito em transmissão de dados entre pontos de presença 
de operadoras. Gradativamente, porém, surgiu uma infraestrutura flexível e hábil 
para a entrega de serviços de banda larga também na dimensão de distribuição 
de telecomunicações, alcançando os clientes finais diretamente. 
Pode-se, então, dividir a história das FOs em duas gerações. A primeira 
geração é composta de tecnologias voltadas à transmissão das altas hierarquias 
SONET e SDH, que constituem o core das redes públicas de telecomunicações. 
A segunda geração insere nas tecnologias de iluminação das fibras facilidades 
de roteamento e de tratamento inteligente de pacotes. 
 
 
 
3 
1.1 Redes ópticas de segunda geração 
Quando operamos com taxas altas de transmissão de dados, a eletrônica 
necessária para o chaveamento dos circuitos acaba se tornando cara, sobretudo 
se formos obrigados a realizar a conversão eletro-óptica a cada necessidade de 
extração ou inserção de conjuntos de dados. Dessa forma, foi necessário migrar 
parte do roteamento dos dados para a camada óptica. 
O empacotamento dos dados permite que somente aqueles endereçados 
a um nó sejam nele chaveados, ao passo que os demais não são tratados. Dessa 
forma, a eletrônica em um nó intermediário se torna mais econômica e capaz de 
tratar elevadas taxas de transmissão. 
Como já estudamos, sistemas multiplexados ópticos baseiam-se na 
divisão de comprimentos de onda para permitir o compartilhamento da FO. 
Associar o WDM ao roteamento dos pacotes facilita ainda mais essa 
simplificação eletrônica. Assim, criam-se lightpaths ou caminhos ópticos fim-a-
fim, dedicando-se um comprimento de onda específico, como vemos na figura a 
seguir. Esse é o mote da segunda geração de redes ópticas de transmissão. 
Figura 1 – Lightpaths WDM 
 
Fonte: Ramaswami, 2010. 
Um comprimento de onda pode ser compartilhado por vários enlaces que 
tenham destinos semelhantes, assim como é possível que em um determinado 
nó seja comutado o comprimento de onda, inserindo o sinal em um novo 
 
 
4 
lightpath. Assim, os comprimentos de onda se comportam de forma semelhante 
a portadoras de rádio, apenas o nó destino demodulará determinada cor. 
Em um nó podemos ter OLTs (Optical Line Terminal, ou terminal de linha 
óptica), OADMs (Optical Add & Drop Multiplexers ou multiplexadores ópticos de 
inserção e extração) e OXCs (Optical Crossconnects ou interconetores ópticos). 
Nós de origem ou fim do feixe WDM são equipados com OLTs, que são 
capazes de modular, por comprimento de onda, sinais provenientes de várias 
FOs em uma única FO destino, bem como demodulam, no sentido inverso, um 
feixe composto em um único feixe óptico. 
Os nós intermediários operam OADMs que inserem ou extraem 
determinado comprimento de onda de/para um feixe composto. O OADM 
permite, entretanto, a passagem livre de todos os demais comprimentos de onda. 
As portas de saída dos sinais extraídos, bem como as de entrada dos sinais a 
serem inseridos, são ditas local ports (portas locais), ao passo que aquelas que 
operam o feixe composto recebem a designação de line ports. Quando, no nó 
intermediário, são necessárias operações de adição/extração de muitos 
comprimentos de onda simultaneamente (algumas dezenas ou centenas, por 
exemplo), o equipamento utilizado será o OXC. 
As redes ópticas de segunda geração, como verificamos acima, oferecem 
um verdadeiro serviço de roteamento, semelhante ao roteamento IP em muitos 
aspectos. Essa característica permite a teorização de uma camada óptica de 
rede. 
1.2 Camada óptica de rede 
Originalmente, as camadas de rede foram descritas pelo modelo clássico 
OSI em oito camadas (layers, em inglês) distintas. Embora o modelo persista até 
hoje, como referencial para o entendimento das redes, o surgimento de múltiplos 
protocolos alterou parcialmente o modelo. O exemplo mais citado dessa 
evolução do modelo OSI é o próprio protocolo TCP/IP, que mescla os serviços 
das camadas de enlace e rede. Outra modificação ocorreu quando o protocolo 
IP passou a ser utilizado diretamente sobre canais de comunicação públicos. As 
hierarquias SDH, por exemplo, foram pensadas para que oferecessem os 
serviços das camadas física, enlace e rede do modelo OSI, entretanto, o IP a 
utiliza como o equivalente à camada física. 
 
 
5 
As redes ópticas de segunda geração inserem uma camada distinta à 
anterior, já complexa evolução do modelo OSI elementar. A assim denominada 
camada óptica implementa, além das facilidades das camadas OSI física e de 
enlace, outras similares ao roteamento no nível óptico, os já comentados 
lightpaths. 
Esse roteamento óptico, por ora, está disponível apenas para dados de 
alta densidade, mas pode atender transparentemente aos protocolos IP e SDH, 
ou oferecer um canal livre de vínculos a protocolos. Tal transparência respeitará 
apenas limites flexíveis, máximo e mínimo, de taxa de transmissão, mas o 
comprimento de onda estará disponível sob demanda para o usuário de forma 
independente do protocolo. Naturalmente, a implementação dessa facilidade 
demanda determinado tipo de rede óptica, na qual as regenerações do sinal 
ocorram sempre que possível no nível óptico. Explicaremos essa asserção a 
seguir. 
1.3 Regeneração de sinal em redes ópticas 
A máxima distância de transmissão de um sinal em uma rede qualquer, 
óptica ou não, respeita certos limites determinados por parâmetros de 
degeneração do sinal. Quando alcança determinado grau de perturbação ou 
atenuação do sinal transmitido, o equipamento de recepção não mais será capaz 
de discernir o sinal original do ruído presente no sinal recebido. Todo 
equipamento de recepção é projetado para aceitar um nível mínimo de sinal, dito 
discriminação da recepção, assim como uma relação mínima entre esse sinal e 
o ruído presente nele, chamada relação sinal/ruído ou NSR. 
A distância limite, entretanto, pode ser ampliada se, no interior da rede, o 
sinal for regenerado. Nas redes ópticas, a regeneração normalmente ocorre no 
nível eletrônico, ou seja, o sinal óptico é convertido em elétrico para, então, sofrer 
a regeneração e ser reconvertido posteriormente. Esse processo insere certas 
limitações na transparência da rede, conforme a técnica de regeneraçãoutilizada. 
A técnica mais eficiente é dita 3R (Regenaration with Retiming and 
Reshaping), na qual o sinal é recuperado e amostrado no tempo novamente 
antes de ser retransmitido. A 3R torna a rede dependente de determinada taxa 
de transmissão, uma vez que a eletrônica de regeneração operará em apenas 
uma taxa. 
 
 
6 
Uma técnica alternativa é a 1R, substancialmente mais econômica. Nesta 
aproximação, o sinal óptico é apenas convertido em elétrico e reconvertido em 
óptico, sem outro tratamento. A eficiência desse processo na recuperação do 
sinal é naturalmente mais baixa que a 3R, uma vez que o sinal não é 
reamostrado. Quando o sinal não é reamostrado, os ruídos permanecerão 
compondo o sinal, apesar da recuperação da amplitude do sinal. Além dessa 
desvantagem de desempenho, a 1R é transparente à taxa de transmissão, mas 
sinais analógicos ou modulados por técnicas alternativas podem ser 
interpretados como ruídos. 
Finalmente, tecnologias de regeneração óptica sem reconversão elétrica 
são possíveis, conferindo à rede a transparência necessária para a 
implementação da camada óptica. As redes ópticas legadas não são dotadas de 
tal tecnologia e algum tempo será necessário até que ocorram as migrações. 
TEMA 2 – FÍSICA DA LUZ 
Iniciaremos, a seguir, um breve estudo das características de propagação 
óptica que servirá de alicerce para o entendimento das redes ópticas. 
2.1 Onda eletromagnética 
Para descrever uma onda eletromagnética é necessário que entendamos 
os conceitos de campo elétrico e campo magnético. 
As experiências de Charles Coulumb demonstraram que duas cargas 
elétricas, Q1 e Q2, dispostas no vácuo, separadas pela distância r, exercem 
entre si uma força de atração F, que pode ser calculada como: 
𝐹𝐹 = 𝑘𝑘
𝑄𝑄1 ∗ 𝑄𝑄2
𝑟𝑟2
 
Quando consideramos a presença de um terceiro corpo, excursionando 
entre as cargas, é possível supor que a força exercida sobre esse corpo seja a 
soma vetorial (ou direcional) das forças devidas à carga Q1 e Q2. A eventual 
adição de outras cargas não altera essa conclusão. Assim, se substituirmos as 
cargas Q1 ou Q2 por superfície composta de infinitas cargas próximas, não 
invalidaremos a hipótese (Hayt; Bruck, 2013, p. 27) e teremos o conceito do 
campo elétrico gerado pela superfície. Dessa forma, podemos imaginar linhas 
de força eletricamente carregadas partindo dessa superfície. 
 
 
7 
A essas linhas chamaremos, por simplicidade, de campo elétrico, 
denotado por E. O campo assim descrito será dito estacionário. O deslocamento 
de elétrons, gerando a corrente elétrica, pode também ser entendido como um 
efeito do campo elétrico. 
Quando manuseamos um ímã permanente, verificamos que ele exerce 
força sobre materiais ferro-metálicos, indicando, de forma similar ao que 
apresentamos sobre o campo elétrico, que há linhas de forças magnéticas 
partindo do ímã, constituindo o campo magnético, denotado por H. Se o campo 
magnético somente fosse gerado por meio de ímãs, teria pouca utilidade. 
Os professores Biot e Savat, em 1820, demonstraram que a corrente 
elétrica gera campo magnético no entorno do condutor (Hayt; Bruck, 2013, p. 
180). Essa experiência criou uma conexão entre os campos magnéticos e os 
elétricos. 
Figura 2 – Campo magnético gerado pela circulação da corrente I 
 
 
 
 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Hayt; Bruck, 2013, p. 189. 
Faraday, posteriormente, ampliou a lei de Biot Savat para afirmar que 
sempre que houver um campo magnético variando no tempo, surgirá um campo 
elétrico induzido e vice-versa, indicando a inexistência desses campos 
isoladamente (Ribeiro, 2009, p. 68). 
A circulação de corrente elétrica, seja em um condutor elétrico ou a nível 
atômico, com a migração de nível de um elétron, gera um fenômeno 
eletromagnético chamado onda eletromagnética ou OEM. 
Costuma-se, por simplicidade, utilizar uma corrente senoidal como 
geradora da OEM, ou seja, uma corrente (i), que varia no tempo t, segundo a 
equação: 
𝑖𝑖 = 𝐴𝐴 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 (𝑤𝑤𝑤𝑤) 
 
 
8 
Onde w é a velocidade angular, ou seja, a velocidade com que a corrente 
varia em radianos por segundo. Assim, em relação à frequência 𝑓𝑓: 
𝑤𝑤 = 2𝜋𝜋 𝑓𝑓 
A OEM gerada pela corrente elétrica terá a mesma frequência da variação 
dessa corrente. Os vetores (direção) dos campos elétrico (E) e magnético (H) 
serão ortogonais entre si e em relação à direção de propagação da OEM. Dessa 
forma, é correto imaginar que os campos E e H oscilarão senoidalmente, 
sincronamente em relação a 𝑖𝑖. 
Figura 3 – Campos e deslocamento da OEM 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Ribeiro, 2009, p. 69. 
Durante a propagação, a amplitude do campo elétrico e magnético 
sofrerão decréscimos em função da distância percorrida e do fator de perdas do 
meio, que pode ser entendido como a densidade do meio em relação à OEM. 
Dessa forma, a OEM será atenuada durante o percurso e essa atenuação 
dependerá da permeabilidade do meio em relação à passagem da onda. 
2.2 Polarização da OEM 
Considerando que a OEM tem um ângulo de propagação dependente dos 
campos E e H, é justo supor que existem infinitos ângulos de inclinação desses 
campos em relação ao plano de propagação, embora, entre si, guardem a 
ortogonalidade. De fato, a luz natural, por exemplo, é composta por ondas que 
 
 
9 
mesmo em um único comprimento de onda ou cor possuem essa infinidade de 
ângulos. 
São relativamente bem conhecidos os polarizadores ópticos, a exemplo 
das lentes polarizadas de óculos, que permitem a passagem de poucos ângulos 
de campo. Esse subterfúgio bloqueia parte dos raios incidentes, reduzindo a 
intensidade da luz que atinge a retina. A luz emergente do polarizador será dita 
luz polarizada. 
Figura 4 – Polarização da OEM 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Keiser, 2014, p. 40. 
Existem materiais polarizadores e outros sensíveis à polarização que 
podem ter essa propriedade alterada. Os rotores de Faraday são exemplos de 
polarizadores cujo efeito depende do ângulo de incidência da luz. Esse 
fenômeno pode ter aplicação em isoladores ou filtros ópticos capazes de 
segregar determinados ângulos ou cores. 
2.3 Velocidade de propagação da OEM 
Considerando que a própria luz comporta-se, para a maioria dos casos, 
como uma OEM, é de se esperar que a velocidade de propagação de uma OEM 
seja a mesma que a da luz. De fato, em meios especiais, hipotéticos, essa seria 
a realidade. Em meios reais, no quais as características do material não são 
 
 
10 
homogêneas, ocorrem variações de densidade do meio. Quando uma OEM 
colide com uma alteração de densidade do meio, parte será refletida e parte 
transmitida. A fração transmitida, ao evoluir pelo segmento mais denso do meio, 
sofrerá, além da atenuação, redução de velocidade. 
Além dessa eventual bipartição da energia da OEM, o ângulo de 
propagação em relação ao plano de incidência também sofre alteração. A figura 
5 ilustra esse fenômeno, que é conhecido como lei de Snell. O ângulo de 
transmissão cresce conforme aumenta o ângulo de incidência, o que conduz à 
conclusão de que haverá um ângulo crítico que causará a reflexão de todo o 
feixe incidente. Essa constatação é de especial importância para que se possa 
transformar o vidro em um guia de confinamento da luz. Na troca de meios entre 
o ar e o vidro, por exemplo, o ângulo crítico será de 42,5º (Keiser, 2014, p. 38). 
Figura 5 – Alteração da direção de propagação por refração 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Keiser, 2014, p. 37. 
As equações de Maxwell demonstram que a atenuação do campo 
elétrico/magnético depende da frequência e dos parâmetros característicos de 
cada material. Frequências maiores sofrerão maior absorção, uma vez que 
agitam as moléculas do meio com maior intensidade (Hayt; Bruck, 2013, p. 288). 
A relação entre a velocidade de propagação de uma frequência no vácuo e em 
outro meio qualquer naturalmentemais denso é chamada de índice de refração 
N. 
O valor de N variará, então, com a frequência, posto que a velocidade de 
propagação das várias frequências em um mesmo meio varia. Dessa forma, ao 
propagarmos por um meio qualquer um feixe composto por várias frequências, 
o comportamento do feixe não será homogêneo durante a propagação. Pode-se 
observar o conjunto todo, do sinal composto de várias frequências, como 
propagando-se com uma velocidade média, dita velocidade de grupo. É fato que, 
 
 
11 
nesse cenário, em alguns momentos frações refletidas da onda podem ter uma 
influência destrutiva sobre a frente de onda transmitida, reduzindo a distância 
máxima percorrível ou inserindo distorções no sinal (Ribeiro, 2009, p. 69). 
2.4 Comprimento de onda 
O comprimento de onda (λ) é a distância, na onda senoidal, entre dois 
pontos contíguos de mesmo valor angular, ou seja, a distância entre w e w+360º 
ou 2𝜋𝜋 radianos. Por esse motivo, o comprimento de onda estará relacionado com 
a frequência e com a velocidade de propagação da OEM. Se o meio for o vácuo, 
essa velocidade, como já comentamos, será a velocidade da luz (c). Dessa 
forma: 
𝜆𝜆 =
𝑐𝑐
𝑓𝑓
 
Em meios heterogêneos, posto que a velocidade de propagação sofre 
variações, também o comprimento de onda variará, mesmo mantida a frequência 
constante. Como há uma relação linear inversa entre frequência e comprimento 
de onda, é de se esperar que exista uma relação entre a variação do índice de 
refração (N) de um meio e o valor de λ. O gráfico abaixo ilustra essa dependência 
para a sílica, que é o componente básico da maioria das FOs. 
Figura 6 – Relação entre N e λ para Si 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Ribeiro, 2009, p. 80. 
 
 
12 
2.5 Difração 
A difração de uma OEM é um fenômeno físico no qual a OEM, ao 
encontrar uma aresta ou orifício, tem um comportamento não corpuscular, ou 
seja, não se comporta como um corpo sólido. A OEM pode sofrer uma alteração 
no ângulo de propagação ou mesmo espalhar-se pelo meio em direções 
variáveis. 
Figura 7 – Difração 
 
Fonte: Brustolin, 2021, com base em Ribeiro, 2009, p. 94. 
O interessante sobre a difração é que o ângulo de difração contra 
anteparo anguloso (Ә, na figura 7) depende da frequência da onda incidente. 
Dessa forma, um anteparo pode ser usado para decompor um feixe de vários 
comprimentos de onda. 
2.6 Guias de onda 
As OEMs, ao encontrarem um anteparo ou uma mudança de densidade 
entre dois meios, se comportam de quatro maneiras diferentes e eventualmente 
concomitantes. A onda pode ser absorvida, refletir, refratar ou difratar. Supondo 
que tenhamos construído um duto e lancemos, em seu interior, um feixe de OEM 
na faixa de frequência de micro-ondas (acima de uma dezena de GHz), se o 
material for metálico e o ângulo de lançamento do feixe for de pequena inclinação 
em relação ao eixo do duto, a onda, ao encontrar a parede do duto, refletirá 
totalmente, sem que parcela significativa da onda se perca por absorção ou 
refração. Esse fenômeno de dutagem da OEM é usado em GORs (guias de onda 
retangular) para conduzir a onda gerada no equipamento transdutor de rádio até 
 
 
13 
a antena, quando essa precisa localizar-se distante do equipamento, como no 
caso daquelas instaladas em torres. 
O mesmo princípio é utilizado quando lançamos um feixe de luz 
concentrado em um cilindro sólido de vidro. Se o ângulo de incidência for inferior 
a 42,5º em relação ao eixo longitudinal do cilindro, a luz permanecerá confinada 
no cilindro, propagando-se na direção longitudinal. Esse é o princípio da fibra 
óptica como guia de onda luminosa. Naturalmente, utilizar cilindros de vidro, que 
permitiriam a invasão de feixes luminosos externos, além da fragilidade 
mecânica, demonstra-se pouco prática. 
TEMA 3 – FIBRAS ÓPTICAS 
As primeiras FOs comerciais, ditas fibras de índice degrau, utilizavam dois 
cilindros de sílica coaxiais (de mesmo eixo): um cilindro menor dito núcleo (ou 
core, em inglês) com índice de refração Nn e um cilindro envolvente externo, dito 
casca (ou cladding), com índice Nc, de forma que Nn>Nc. 
A presença da casca, inicialmente desnecessária, cumpre funções de 
proteção do núcleo contra contaminantes externos, além de facultar a redução 
de perdas na superfície da camada nuclear, cujas imperfeições poderiam causar 
refração em direção ao meio externo. Após a casca, normalmente se deposita 
acrilato e resina silicônica, que amortecem esforços de cisalhamento, 
protegendo o conjunto. 
A fonte de luz escolhida nestas primeiras implementações foram LEDs 
(Light Emissor Diodes ou diodos emissores de luz) de alta qualidade e os 
comprimentos de onda (cores) precisaram ser determinados experimentalmente. 
Verificou-se que o infravermelho próximo continha os comprimentos de onda que 
melhor se propagavam na sílica, especialmente nas proximidades de 1.300 nm. 
Essas primeiras FOs permitem a propagação de vários feixes, originários 
da mesma fonte de luz, porém, com ângulos de inserção diferentes, permitindo 
caminhamentos distintos, ditos modos de propagação. Por esse motivo, foram 
chamadas de fibras multimodo. As experiências ópticas subsequentes 
demonstraram que diâmetros nucleares mais próximos ao comprimento de onda 
criavam guias ópticos com poucos modos de propagação e, quando o diâmetro 
se aproximou de 10 μm, apenas um modo permaneceu propagado na fibra. 
Essas fibras são chamadas monomodo. 
 
 
14 
3.1 Fibras multimodo 
As fibras multimodo (MMFs) foram as primeiras a estar comercialmente 
disponíveis, posto que, em função das dimensões mais avantajadas do núcleo 
(em relação às monomodo), têm fabricação mais fácil e econômica. Outro fator 
interessante nas fibras multimodo é que pelo fato de seu núcleo ser algumas 
vezes maior que o comprimento de onda, o comportamento da fibra pode ser 
emulado com uso estrito da óptica geométrica, ou seja, considerando a 
propagação da luz, no interior da fibra, como um feixe retilíneo. 
Com os conhecimentos já obtidos sobre a refração do feixe luminoso, é 
possível supor que, guardada a devida relação entre os índices de refração do 
núcleo (N1) e da casca (N2), se o feixe for lançado acima do ângulo crítico, a luz 
será guiada pela fibra como em um guia de ondas. 
Figura 8 – Feixe de luz em fibra óptica 
 
Fonte: Brustolin, 2021, Hayt; Bruck, 2013, p. 436. 
Esse ângulo entre a face da fibra e o raio proveniente da fonte luminosa, 
que permite a dutagem da luz, formará um cone de incidência. O seno da metade 
do ângulo sólido de abertura (∀) desse cone será dito abertura numérica da fibra 
(AN) e dependerá exclusivamente dos índices de refração, como segue: 
 
 
 
 
 
 
15 
Figura 9 – Abertura numérica da FO 
 
AN = √𝑁𝑁12 + 𝑁𝑁22 e ∀ = 2 ∗ sin−1 𝐴𝐴𝑁𝑁 
Os modos de propagação sob essa visão geométrica serão definidos em 
função do ângulo de incidência (∀ /2). 
Tratamos dos modos de propagação como simplesmente a alternância de 
percurso entre raios, cujos ângulos de incidência, no plano perpendicular ao eixo 
da fibra, sejam diferentes. O conceito de modos de propagação é, de fato, um 
pouco mais amplo. Não só o ângulo, mas as direções dos campos elétrico e 
magnético, as fases e comprimentos de onda, podem também variar. Dessa 
forma podemos supor que, entre os ângulos aceitáveis de dutagem, existirão 
conjuntos de feixes com o mesmo ângulo de incidência, mas com características 
distintas. Com essa abordagem, é possível equacionar uma frente de onda 
perpendicular ao eixo da fibra que tenha a direção de propagação paralela a 
esse eixo. Tais frentes de onda serão os modos guiados da FO. 
À primeira vista, seriam possíveis infinitos modos de propagação em uma 
fibra multimodo, entretanto, há um limite para esse número. Se tomarmos o 
centro da fibra em um corte transversal qualquer, teremos a energia total 
transmitida nesse ponto como sendo a somatória dos diversos feixesdutados. 
Afirmamos anteriormente que os campos E e H têm comportamento senoidal. 
Se imaginarmos que mais de um trajeto é possível, como de fato o é, para fibras 
multimodo, os diversos feixes alcançarão esse corte transversal em um tempo t 
diferente. Dessa forma, o seno do ângulo será também diverso para cada feixe, 
tornando-se eventualmente negativo. A somatória da energia total receberá, 
assim, influências (ou interferências) construtivas e destrutivas. Esse efeito de 
 
 
16 
cancelamento fará com que alguns modos não se propaguem na FO em virtude 
da interferência destrutiva mútua. 
A impossibilidade de propagação de alguns modos é, entretanto, uma 
situação extrema que não tem consequências outras para a propagação do sinal 
além de certa perda de energia luminosa. As demais inferências intermodais 
criam, por outro lado, uma dispersão intermodal, distorcendo o sinal na recepção. 
Essa distorção, traduzida em embaralhamento (overlap) de bits adjacentes, 
dificulta o entendimento do sinal e estabelece um limite máximo de comprimento 
da fibra. 
Figura 10 – Interferência intersimbólica por dispersão modal 
 
O limite útil de comprimento de uma FO multimodo dependerá 
naturalmente da frequência ou taxa de transmissão do sinal, posto que taxas 
mais altas significam bits mais “próximos” e, portanto, mais sensíveis à 
interferência intersimbólica (IIS). Fibras multimodo degrau têm alcance máximo 
de aproximadamente 10 km, ou seja, após 10 km, a taxa de transmissão máxima 
cai para zero. Obviamente, para taxas mais altas, comprimentos além de uma 
centena de metros podem ser proibitivos. 
Soluções foram criadas, todavia, para permitir distâncias mais aceitáveis. 
A dopagem gradual da Si é a mais usada. Dopar a sílica significa inserir 
quantidades de impurezas controladas de forma a alterar, gradativamente, o 
índice de refração. Essa técnica dopa o centro da FO de forma a retardar o modo 
meridiano mais enfaticamente e, aos demais modos, de maneira mais suave. 
Como o feixe meridiano é mais rápido, a dopagem tem o efeito de reduzir a IIS, 
 
 
17 
permitindo alcances maiores. Naturalmente, são processos que encarecem a 
fabricação da FO, tornando a solução menos atrativa. 
3.2 Fibras monomodo 
Comentamos, na análise geométrica que fizemos da propagação óptica, 
que o modo de propagação meridional coincidente com o eixo da fibra é mais 
rápido que os demais modos, uma vez que tem a trajetória mais curta entre 
origem e destino. Dessa observação surge a ideia de engenhar uma fibra que 
permita somente esse modo central de propagação, a fibra monomodo, ou SMF 
(Single Mode Fiber), é o resultado dessa demanda. 
As SMFs têm núcleo de diâmetro próximo ao comprimento de onda 
(geralmente de 8 a 12 * λ) de forma a, mesmo mecanicamente, restringir a 
abertura numérica para que apenas um modo, dito dominante, propague-se por 
toda a extensão da fibra. A diferença entre os índices de refração N1 e N2 é 
também menor (em torno de 2%), de forma que modos não meridionais sejam 
descartados no processo de refração parcial (Keiser, 2014, p. 67). 
Em SMFs, a região de concentração da energia óptica terá um diâmetro 
(dito MFD ou Modal Field Diameter) que poderá ser pouco superior à região de 
N1. A relação entre o raio do núcleo (região N1) e o comprimento de onda λ é 
dado por: 
𝑟𝑟 ≤
2,405 λ
2П √𝑁𝑁12 − 𝑁𝑁22
 
Dessa forma, é possível calcular qual a SMF ideal para o comprimento de 
onda principal de operação, bem como é possível estabelecer se determinada 
SMF poderá ser utilizada para dada operação. 
Considerando que a luz pode se comportar como uma OEM, a direção do 
campo elétrico E será ortogonal ao sentido de propagação, mas é possível, 
então, imaginar duas polaridades para a onda luminosa, uma com E vertical e 
outra na qual E é horizontal. Assim, é possível dizer que há mais de um modo 
de propagação em fibras monomodo. De fato, esses dois modos, em fibras 
ideais, propagam-se exatamente da mesma maneira e, por esse motivo, não 
ocasionam interferências. Pequenas impurezas no material construtivo ou 
mesmo irregularidades de geometria, entretanto, podem causar alterações em 
 
 
18 
um dos modos sem afetar o segundo. A esse fenômeno damos o nome de 
birrefringência. 
A birrefringência causará, em uma SMF, interferência no sinal recebido, 
da mesma forma que a dispersão modal o causava nas multimodos, porém, de 
forma substancialmente mais tênue. O resultado desta interferência será dito 
dispersão de polarização modal, ou PMD (Polarization-Mode Dispersion). 
No que se refere à dopagem, assim como nas MMFs, pode ser 
interessante inserir um índice gradual de refração no núcleo da fibra, de forma a 
limitar ainda mais a área ativa da fibra. Naturalmente, tal estratégia, além do 
custo construtivo, demandará acopladores ópticos de alta qualidade. 
TEMA 4 – MATERIAIS CONSTRUTIVOS 
Para que tenham plena aplicação comercial, as fibras ópticas devem 
apresentar determinadas características construtivas que permitam sua 
implantação e manutenção em condições típicas de operação. Assim, o material 
construtivo de uma FO deve, além da transparência óptica, ser capaz de 
apresentar certa flexibilidade mesmo para diâmetros pequenos. O material 
escolhido precisa, igualmente, ser capaz de apresentar índices de refração 
compatíveis com as necessárias diferenças entre núcleo e casca. 
4.1 Fibras vítreas 
O material mais frequente e eficiente para fabricação de fibras ópticas é, 
sem dúvida, o vidro. O vidro comum é basicamente composto de dióxido de 
silício (SiO2), ou sílica, associado ao carbonato de sódio e cálcio. Esses 
componentes são vitrificados em temperaturas superiores a 1.500 ºC. 
A característica principal dos vidros, no entanto, não é propriamente sua 
composição química, mas sim sua estrutura física molecular, que permite o 
fenômeno da transição vítrea. Esse fenômeno, que ocorre com os vidros em alta 
temperatura, confere a eles consistência pastosa que permite sua modelagem 
facilitada. O puxamento da fibra, procedimento de fabricação no qual a pré-forma 
de vidro é tensionada, no sentido longitudinal, só é possível em função dessa 
redução de viscosidade com a elevação da temperatura. O vidro aquecido torna-
se flexível e pode ser puxado, conservados cuidados especiais, de forma a 
compor um fio vítreo de espessura micrométrica. 
 
 
19 
Para a fabricação de fibras ópticas silicatas, são acrescentados à sílica 
alguns óxidos metálicos que conferirão as necessárias alterações de índices de 
refração. São bastante comuns fibras não silicatas, produzidas com base em 
dióxido de germânio, que têm melhor desempenho em λs mais baixos. 
O óxido de germânio também é utilizado como dopante da sílica em 
processos de fabricação por deposição de partículas de vidro gasoso no interior 
da pré-forma. Pentóxido de potássio é outro dopante comum para aumentar N. 
A dopagem da sílica com esses materiais resultam em uma FO de alta 
resistência, baixa expansão térmica e resistência a ataques químicos. 
Apesar de todo o esforço de fabricação, a fibra vítrea segue 
mecanicamente sensível e apresentará várias restrições de instalação e 
manutenção. O máximo raio de curvatura é a restrição mais importante, uma vez 
que a ultrapassagem desse limite eleva as perdas ópticas por refração parcial e, 
no limite, causa a quebra da fibra. 
Algumas dopagens com materiais fluorescentes podem ser encetadas 
para criar uma fibra óptica ativa. Dito de outra forma, aproveitando-se da 
característica de alguns materiais, que ao receberem uma carga 
eletromagnética, respondem com a produção de luz, a dopagem da FO pode 
tornar o efeito de atenuação inerente da propagação por longas distâncias nulo 
ou mesmo positivo, criando-se um amplificador óptico. 
4.2 Fibras plásticas 
As fibras ópticas vítreas, embora bastante versáteis, não são capazes de 
suportar operações que exijam torções bruscas econstantes. A necessidade de 
entrega de altas velocidades em estações de trabalho ou em instalações 
residenciais fizeram surgir a demanda por fibras ópticas com características 
mecânicas mais flexíveis que aquelas possíveis nas vítreas. 
Fibras plásticas baseadas em polimetilmetacrilato, um polímero de 
excelentes propriedades ópticas, atendem a essas necessidades, 
acrescentando facilidades de conectorização ausentes nas vítreas. A sílica, 
embora apresente insuperáveis características que permitem a dutagem de 
sinais ópticos por distâncias continentais, tem várias restrições mecânicas. Entre 
essas restrições, inclui-se a conectorização. 
Conectores e terminadores ópticos para fibras vítreas são 
necessariamente peças de mecânica fina que exigem condições próprias de 
 
 
20 
limpeza e manutenção. Trataremos deste assunto em nosso próximo tema. 
Esses cuidados não poderiam ser tomados em implantações em ambientes não 
profissionais. 
As fibras plásticas, mesmo para operação em monomodo, são 
construídas com núcleos mais amplos, simplificando a conectorização e 
reduzindo a perda por curvatura. De forma a manter o controle sobre a IIS, fibras 
plásticas contam com índice de refração gradual do núcleo, permitindo, assim, 
taxas de transmissão de Gbps por algumas centenas de metros. 
TEMA 5 – DECIBEL 
Em sistemas de telecomunicações, os níveis de sinal de transmissão e 
recepção são, normalmente, bastante baixos. As variações imputadas em um 
feixe de OEM durante sua transmissão, principalmente via ar, são bastante 
significativas, atenuando o sinal, via de regra, dezenas ou centenas de vezes. A 
utilização de grandezas lineares para mensurar esses sinais e fenômenos se 
mostrou inapropriada. Como as variações se assemelham a curvas 
exponenciais, buscou-se o uso de escalas logarítmicas, e a escala utilizada para 
medições de nível sonoro revelou-se utilizável. 
O nível sonoro é medido em uma escala não linear (em Bels). A décima 
parte do Bel é chamada de decibel (dB) e guarda uma relação com a potência 
sonora em milésimos de Watts (miliwatts ou mW), como segue: 
P (dB) = 10*log P (mW) 
Dessa forma, se resolvermos a equação para 1 mW, teremos: 
PdB = 10 log 1 = 10 log 100 = 10 * 0; portanto. 
1 mW = 0dBm 
Uma outra aplicação da mesma escala logarítmica é a relação entre duas 
potências. Supondo que tenhamos uma determinada potência de transmissão 
P1, em Watts, na saída do transceptor, ao medirmos a potência desse mesmo 
sinal em um ponto qualquer, obtemos P2 Watts. A relação logarítmica entre 
essas duas potências (R) será dada em dBs, por: 
𝑅𝑅 = 10 log P2
P1
 dB 
 
 
21 
Essa maneira de representar a relação, além de permitir uma redução da 
magnitude das grandezas envolvidas, transforma operações de multiplicação e 
divisão em somas e subtrações. 
Suponha que, em um rádio enlace, a potência na saída da antena de 
transmissão (PTx ) seja de 10mW e que a potência do sinal caia pela metade a 
cada quilómetro. Se o enlace possuir 6 km, para que se calcule a potência na 
recepção(PRx) será necessário realizarmos a seguinte divisão matemática: 
PRx = PTx / (2 ^ 6) = 0,010 / 64 = 1,56 * 10-4 W 
Se, por outro lado, tomarmos a relação de queda de metade da potência 
como sendo P1km / PTx = 2 e aplicarmos o logaritmo de ambos os lados: 
log (P1km / PTx) = log (2), logo 
log (P1km / PTx) = 0,3 e multiplicando ambos os lados por 10, teremos a 
relação de dB: 
10 log (P1km / PTx) = 10* 0,3 = 3 dB 
A cada quilómetro, tem-se uma perda de 3 dB. Em 6 km, serão 18dB, 
como a potência de transmissão PTx é de 10 dBm, a potência Rx será: 
PTx = PTx - perda = 10dBm – 18 dB = -8dBm. 
O cálculo se torna mais simples e as unidades envolvidas mais palatáveis, 
evitando as potenciações. 
 
 
22 
FINALIZANDO 
Nesta aula, introduzimos a fibra óptica como solução de transmissão para 
redes de longa distância e alto desempenho. Apresentamos conceitos 
importantes sobre transmissão óptica, principiando por algumas características 
físicas das ondas luminosas que permitiram nossa compreensão da viabilidade 
das fibras ópticas como guias dessas ondas com as características necessárias 
para as redes de longa distância. 
Apresentamos, igualmente, rudimentos de fabricação e materiais 
construtivos que subsidiarão a compreensão das restrições de operação a serem 
apresentadas nas próximas aulas, bem como as facilidades de recuperação ou 
reforço de sinais, sem a necessidade de conversão óptico-elétrica. Esses 
conceitos precisam ser aprofundados com o uso da literatura indicada, uma vez 
que são o fundamento da aplicação da tecnologia óptica em redes de alto 
desempenho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
23 
REFERÊNCIAS 
KEISER, G. K. Comunicações por Fibras Ópticas. Porto Alegre: Grupo A, 
2014. Disponível em: 
<https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580553987/>. Acesso 
em: 25 jun. 2021. 
RIBEIRO, J. R. J. A. Comunicações Ópticas. Editora Saraiva, 2009. Disponível 
em: <https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536521930/>. 
Acesso em: 25 jun. 2021. 
REGO, R. R. A. Eletromagnetismo Básico. São Paulo: Grupo GEN, 2010. 
Disponível em: <https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-
2668-8/>. Acesso em: 25 jun. 2021. 
HAYT, W.; BRUCK, J. A. Eletromagnetismo. Porto Alegre: Grupo A, 2013. 
Disponível em: 
<https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551549/>. Acesso 
em: 25 jun. 2021. 
RAMASWAMI, R.; SIVARAJAN, K.; SASAKI, G. Optical networks: a practical 
perspective. 3. ed. Morgan Kaufmann, 2010. 
	Conversa inicial
	As redes ópticas de transmissão são, na atualidade, o mais fiel exemplo de redes de longa distância e alto desempenho. Com qualidade de serviço acima de todas as demais tecnologias cabeadas ou sem fio, as redes ópticas podem ser operadas em condições ...
	Assim, nesta aula, estudaremos as redes ópticas, não apenas os conceitos teóricos da comunicação óptica, mas também alguns aspectos práticos de engenharia de redes ópticas e de entrega de serviços. Iniciaremos por meio da introdução dos elementos de p...
	FINALIZANDO
	Nesta aula, introduzimos a fibra óptica como solução de transmissão para redes de longa distância e alto desempenho. Apresentamos conceitos importantes sobre transmissão óptica, principiando por algumas características físicas das ondas luminosas que ...
	Apresentamos, igualmente, rudimentos de fabricação e materiais construtivos que subsidiarão a compreensão das restrições de operação a serem apresentadas nas próximas aulas, bem como as facilidades de recuperação ou reforço de sinais, sem a necessidad...
	REFERÊNCIAS