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ANHANGUERA EDUCACIONAL CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE CAMPO GRANDE – UNIDADE II CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO, ENGENHARIA MECÂNICA E ENGENHARIA DE PRODUÇÃO DAVID ADILSON MARTINS DANIEL RA: 9092486031 JULIANA DE OLIVEIRA ANDREANI RA:9336640285 LUCIO ALVES MARTINS RA:2476291502 LUIZ MARCELO ALVES NAMBA RA: 2473287068 REINALDO ABREU DE ANDRADE RA: 2460234888 FIBRAS ÓPTICAS: História no Brasil e Aplicações. CAMPO GRANDE – MS 2016 DAVID ADILSON MARTINS DANIEL RA: 9092486031 JULIANA DE OLIVEIRA ANDREANI RA:9336640285 LUCIO ALVES MARTINS RA:2476291502 LUIZ MARCELO ALVES NAMBA RA: 2473287068 REINALDO ABREU DE ANDRADE RA: 2460234888 FIBRAS ÓPTICAS: História no Brasil e Aplicações. Trabalho apresentado para obtenção de nota integral da disciplina de Engenharia e Profissão, 1° semestre, dos cursos de Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Mecânica e Engenharia de Produção, do Centro Universitário Anhanguera de Campo Grande, unidade II, sob a orientação do Prof. Especialista Djair Mansilha. CAMPO GRANDE – MS 2016 RESUMO Pode dizer-se que a cada dia que passa a quantidade de informação que se encontra na rede das redes é maior ou igual que o número de pessoas que se conectam, e cada vez mais os usuários desejam ter serviços que necessitam uma maior velocidade de transferência de dados, como conversações de voz e vídeo, fazer download’s de grandes arquivos, etc. Assim, terá sido necessária a criação de um novo meio para a transmissão de informação, capaz de transferir dados de uma maneira mais eficaz, rápida e acessível para um grande número de pessoas. Este meio é a Fibra Óptica. O cabo de fibra óptica é uma tecnologia que utiliza um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza como meio físico. Seu diâmetro é tão fino quanto um fio de cabelo humano e permite carregar milhares de informações digitais sem perdas significativas ao longo de grandes distâncias. Ao redor do filamento existem outras substâncias de menor índice de refração, que fazem com que os raios sejam refletidos internamente, minimizando assim as perdas de transmissão. Os sistemas de comunicações baseados em cabo de fibra óptica utilizam dispositivos emissores de luz (LEDS) ou lasers. Além disso, as fibras ópticas são imunes a ruídos e interferências eletromagnéticas pois são feitas de materiais dielétricos e consequentemente não transmitem pulsos elétricos. Essa tecnologia permite altíssimas taxas de transmissão, na ordem de Gbps (bilhões de bits por segundo), porém para que haja o tráfego de dados e a taxa de transmissão no meio físico de fibra óptica são necessários equipamentos denominados conversores de mídias. O Cabeamento óptico oferece alta qualidade e grande variedade de protocolos compatíveis. No padrão Ethernet, o mais popular a tecnologia óptica oferece desempenho melhor em grandes distâncias e para elevadas taxas de transmissão, superando a do tradicional cabeamento metálico. A instalação em redes locais segue os mesmos requisitos das normas para edifícios comerciais, Data Centers ou residências. Ao contrário do que se costuma pensar, o cabo de fibra óptica é bastante flexível e pode ser passado dentro de diversos tipos de conduítes, sem problemas. Onde um cabo coaxial passa, pode ter certeza que um cabo de fibra óptica também vai passar. Não é necessário em absoluto que os cabos fiquem em linha reta, e devido às camadas de proteção, os cabos de fibra também apresentam uma boa resistência mecânica. Palavras Chaves: fibra, óptica, cabeamento, tecnologia. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO....................................................................................... 05 2 OBJETIVOS.......................................................................................... 07 3 METODOLOGIA.................................................................................... 08 4 DESENVOLVIMENTO........................................................................... 09 4.1 História no Brasil................................................................................. 09 4.2 Fibra Óptica.......................................................................................... 12 4.3 Fabricação de Fibra Óptica................................................................. 12 4.4 Partes da Fibra Óptica......................................................................... 14 4.5 Tipos de Fibra Óptica.......................................................................... 14 4.6 Dispositivos Ópticos de Recepção e Transmissão.......................... 15 4.6.1 Fontes Luminosas.................................................................................. 15 4.6.2 Receptores Luminosos.......................................................................... 17 4.7 Vantagens e desvantagens na utilização de Fibras Ópticas........... 18 4.7.1 Vantagens.............................................................................................. 18 4.7.2 Desvantagens........................................................................................ 19 4.8 Aplicações............................................................................................ 20 4.8.1 Rede Telefônicas................................................................................... 20 4.8.2 Rede Digital de Serviços Integrados...................................................... 20 4.8.3 Cabos Submarinos................................................................................ 20 4.8.4 Televisão Por Cabo............................................................................... 22 4.8.5 Sensores................................................................................................ 22 4.8.6 Automobilística....................................................................................... 23 4.8.7 Industria................................................................................................. 23 4.8.8 Medicina................................................................................................. 23 4.8.9 Fins Militares.......................................................................................... 24 CONCLUSÃO........................................................................................ 28 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................... 29 5 1 INTRODUÇÃO Com a evolução da tecnologia, os tradicionais cabos metálicos foram substituídos por cabos de fibra óptica. A fibra óptica é um filamento de vidro, que também pode ser de material produzido com polímero, que tem alta capacidade de transmitir os raios de luz. Ela foi inventada pelo físico indiano Narinder Singh Kapany. O funcionamento desses cabos ocorre de forma bem simples. Cada filamento que constitui o cabo de fibra óptica é basicamente formado por um núcleo central de vidro, por onde ocorre a transmissão da luz, que possui alto índice de refração e de uma casca envolvente, também feita de vidro, porém com índice de refração menor em relação ao núcleo. A transmissão da luz pela fibra óptica segue o princípio da reflexão. Em uma das extremidades do cabo óptico é lançado um feixe de luz que, pelas características ópticas da fibra, percorre todo o cabo por meio de sucessivas reflexões até chegar ao seu destino final. Reflexão é quando a luz, propagando-se em um determinado meio, atinge uma superfície e retorna para o meio que estavase propagando. Os feixes de luz que penetram no cabo óptico sofrem várias reflexões na superfície de separação entre os dois vidros que o formam e dessa maneira a luz caminha, podendo percorrer vários quilômetros de distância, uma vez que a energia nas reflexões não é calculável. Utilizadas como meio para transmissão de ondas eletromagnéticas, como a luz, por exemplo, elas são feitas em vidro porque esse material absorve menos essas ondas. A transmissão de informações pela fibra óptica ocorre através de um aparelho especial que possui um fotoemissor que faz a conversão da luz em sinais elétricos. A luz que é refletida no interior do cabo óptico pode ser transformada em sinal elétrico, sonoro ou até mesmo luminoso, dependendo da informação que é transmitida. As fibras ópticas são utilizadas principalmente nas telecomunicações, pois apresentam várias vantagens em relação ao uso dos antigos cabos metálicos, tais como: Tem maior capacidade para transportar informações; A matéria prima para sua fabricação, a sílica, é muito mais abundante que os metais e possui baixo custo de produção; 6 Não sofrem com as interferências elétricas nem magnéticas, além de dificultar um possível grampeamento; A comunicação é mais confiável, pois são imunes a falhas; Ao contrário dos fios metálicos, os fios de vidro não enferrujam, não oxidam e não sofrem com a ação de agentes químicos. 7 2 OBJETIVO Temos como objetivo esclarecer e apresentar essa tecnologia de grande utilidade, constantemente utilizada por todos, porém desconhecida de muitos. Durante as pesquisas descobrimos que o Brasil teve notável participação no desenvolvimento das fibras ópticas e das fontes luminosas (fotoemissores) e dos receptores luminosos (fotodetectores). 8 3 METODOLOGIA Foi utilizado como material de pesquisa, artigos científicos e sites específicos do assunto, este trabalho permitiu informações acerca das fibras ópticas de forma simplificada, para que a mesma possa ser cada vez mais conhecida, compreendida e estudada. 9 4 DESENVOLVIMENTO 4.1 HISTÓRIA NO BRASIL Esperar horas até a telefonista completar a ligação interurbana ou o dia todo pela chamada internacional é uma situação absurda para os dias hoje. Mas era assim. O puxamento na Unicamp da primeira fibra óptica brasileira, em abril de 1977, simbolizou o sucesso de um grande projeto para a modernização das telecomunicações no país, colocado em execução anos antes numa parceria entre governo, universidade e empresas nacionais. Essa história, em seus primórdios, registra propícias coincidências. Na década de 1960, avançavam no mundo as pesquisas em óptica e fotônica, buscando-se uma tecnologia alternativa para otimizar os sistemas de comunicação. Até que em 1970, a fibra óptica, que permitia a transmissão de dados por sinais luminosos, seria eleita para substituir os fios de cobre e as redes de microondas. Durante o mesmo período, no Brasil, o governo militar definia o setor de telecomunicações como estratégico para a integração e o desenvolvimento nacional, criando instrumentos para modernizá-lo e controlá-lo. Em 1965, criou a Embratel para realizar a conexão entre as regiões do país e um fundo destinando 30% do valor das contas telefônicas para a política tecnológica e industrial do setor. Em 1966, Zeferino Vaz fundava a Unicamp, com a clara opção pela pesquisa aplicada como contribuição ao desenvolvimento industrial. Para o Instituto de Física, o reitor recrutou pesquisadores brasileiros que atuavam em pesquisas de ponta no exterior, como Rogério Cerqueira Leite nos Estados Unidos. 3 Foi nos EUA, em 70, que os cientistas venceram as duas barreiras para a utilização da fibra óptica: a grande perda de luz na transmissão e o excessivo calor que os lasers geravam. Na empresa Corning, eles conseguiram produzir a primeira fibra com perda de luz suficientemente baixa para uso na comunicação. E nos Laboratórios Bell, da AT&T, chegaram a um laser que podia ser operado em temperatura ambiente. No grupo que chegou ao laser estava o pós-doutorando José Ellis Ripper Filho, que em 1971 seria convidado por Zeferino para estruturar o primeiro Departamento de Física Aplicada do Brasil. 10 No mesmo ano, juntamente com o indiano Navin Patel, formou o grupo de pesquisa de lasers e semicondutores. Em novembro de 1972, o governo criou a Telebrás, com atribuições de planejar, implantar e operar o sistema nacional de comunicações. O órgão assumiu o controle da Embratel e das operadoras estaduais, num monopólio que permitiu a padronização da tecnologia para a comunicação entre cidades e estados. A Telebrás planejava abrir um centro de desenvolvimento de tecnologia em telecomunicações, que depois se consolidaria na sigla CPqD. Ao saber da presença de pesquisadores na Unicamp, a holding optou por investir em grupos acadêmicos para a formação de profissionais capacitados, antes de construir um centro próprio. Foram assinados os três primeiros contratos com universidades. Um deles com a PUC do Rio de Janeiro, financiando um projeto de antenas. E dois com a Unicamp: para o Projeto de Transmissão Digital, coordenado pelo professor Rege Sacarabucci, da Faculdade de Engenharia Elétrica de Computação (FEEC); e para o Sistema de Comunicação por Laser, coordenado por José Ripper. Vindo da Universidade do Sul da Califórnia, o professor Sérgio Porto foi quem teve a idéia de propor à Telebrás um projeto de fibra óptica. Com outro contrato, em 1974, a Unicamp ocupou-se dos dois componentes fundamentais das comunicações ópticas, o laser e a fibra. No grupo inicial formado por Sérgio Porto estavam o americano James Moore, o indiano Ramakant Srivastava, o holandês Eric Bochove e José Mauro Leal Costa, o primeiro brasileiro a ver uma fibra óptica, durante seu doutorado em fabricação de vidros de alta pureza na Universidade Católica da América. O Grupo de Fibras Ópticas nasceu com o claro objetivo de desenvolver a tecnologia de fabricação da fibra e depois transferi-la para a indústria nacional. Instalou-se no prédio do Departamento de Eletrônica Quântica no início de 1976 e, no final do ano, já tinha três laboratórios montados. O grupo enfrentou inúmeras dificuldades, principalmente a burocracia na importação de equipamentos, chegando a construir no próprio instituto aqueles mais difíceis de adquirir. Comprava-se, por exemplo, motor de limpador de pára-brisas para fazer dele um motor de corrente contínua.4 O contrato com a Telebrás previa também o desenvolvimento de uma máquina de puxamento de fibra óptica. A primeira fibra brasileira foi puxada numa torre de dois metros de altura, em abril de 1977. 11 Quando o governo decidiu implantar efetivamente o CPqD, em 1976, mais uma vez funcionou a capacidade persuasiva de Zeferino Vaz, que convenceu o presidente da Telebrás a construir o centro em Campinas. O CPqD funcionou provisoriamente em outros pontos da cidade, até ser erguido o prédio atual próximo à Unicamp. A transferência de tecnologia, de pessoal e de equipamentos para o CPqD começou já depois do puxamento da fibra, seguindo o outro passo projeto: o desenvolvimento da tecnologia de fabricação que seria oferecida à indústria. O Grupo de Fibras Ópticas se dividiu, com Leal Costa passando a liderar a equipe no CPqD. Na Unicamp, o professor Ramakant Srivastava assumiu a coordenação das pesquisas de pontae da formação técnica e científica de pessoal. Um novo contrato da Universidade com a Telebrás, no valor de US$ 1 milhão, envolvia agora um sistema de comunicações ópticas. Num barracão perto da rodovia D. Pedro I, o grupo do CPqD montou um sistema de puxamento de fibra usando uma fonte de calor acima dos 2.000ºC. E ali desenvolveu uma fibra óptica específica para um equipamento de conversão de corrente elétrica na usina de Itaipu, a pedido da X-Tal, estatal fabricante de osciladores de quartzo. A “fibra de Itaipu” acabou rejeitada pela multinacional sueca que implantou o equipamento da hidrelétrica, mas propiciou a primeira experiência de transferência tecnológica do CPqD para a indústria, já que a própria X-Tal acabou montando uma unidade que serviu como semente na produção de fibras ópticas para telecomunicações. Os pesquisadores do CPqD dedicaram o ano de 1981 a uma fibra para as comunicações e de um cabo óptico para protegê-la, cuidando de detalhes como a tecnologia para ligar uma fibra a outra sem prejudicar a transmissão. Ao mesmo tempo projetava-se um terminal de linha óptica para interligar centrais telefônicas em centros metropolitanos. Em 1982, duas Kombis lotadas de fibras, equipamentos e de pesquisadores chegaram a Jacarepaguá, no Rio de Janeiro, onde foi implantado o primeiro enlace de comunicações ópticas (ECO-I) de rua no Brasil, por 4 km até Cidade de Deus. Era hora de passar para outra fase da história, a transferência da tecnologia ao setor privado. A tecnologia dos equipamentos foi transferida para as empresas Elebra, NEC e GTE. No caso da fibra óptica, havia seis concorrentes. O Grupo ABC, que havia comprado a X-Tal, venceu a peleja e assegurou reserva de mercado por cinco anos. 12 Estabelecida em Campinas, a ABC X-Tal contratou pessoal do Grupo de Fibras Ópticas da Unicamp e do CPqD, assinando contrato de US$ 6 milhões com a Telebrás para produzir 2.000 km de fibra óptica em 12 meses. O primeiro lote de 500 km foi entregue em agosto de 1984. No mesmo ano, entrava em funcionamento o primeiro sistema não experimental de comunicações ópticas produzido integralmente no Brasil, ligando duas estações telefônicas de Uberlândia. Em 1985, a Telesp instalava seus primeiros 1,4 km de fibra óptica na cidade de São Paulo. A partir dos anos 90, a Unicamp passou a realizar pesquisas em altas taxas e longas distâncias. Nenhum integrante da equipe de 1975 permaneceu na Universidade. Em 1996, o CPqD deixou as atividades de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de dispositivos e materiais. ABC X-Tal, Bracel, Avibrás, Pirelli e Sid fabricavam a maior parte dos 400.000 km/ano de fibras no país, para uma demanda de 1.000.000 km/ano. Somente em Campinas surgiram seis empresas “filhas” do projeto nacional – Padtec, Fotônica, AsGa, Optolink, Fiberwork e KomLux –, a maioria tendo à frente antigos pesquisadores. 4.2 FIBRA ÓPTICA Fibra óptica é um filamento de vidro ou de materiais poliméricos, composta basicamente de material dielétrico, com capacidade de transmitir luz (sílica ou plástico). Na composição entre a sua casca e o núcleo se encontra diferenças entre o índice de refração, sendo o do núcleo maior que o da casca, com a finalidade de oferecer condições de propagação da luz com reflexão total, ou seja, uma transmissão aparentemente sem perdas. Tal filamento pode apresentar diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de micrômetros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros. (WIRTH, 2002) 4.3 FABRICAÇÃO DE FIBRA ÓPTICA A fabricação destas fibras começa com largos tubos de vidro. O tubo de vidro é submerso em um ácido fluorídrico que remove qualquer resíduo do tubo. Logo, dois tubos destes são colocados no centro de um torno e, enquanto giram, são 13 aquecidos por uma chama de hidrogênio e oxigênio. Quando o vidro se torna branco, é que ele está atingindo a temperatura máxima. A 2000°C os tubos se fundem. Um novo tubo mais largo é colocado no outro torno. Enquanto os tubos giram, é injetada uma mistura de gases químicos enquanto um aquecedor transversal esquenta o tubo. O gás líquido contém formas líquidas de silício e germânio, similar ao estanho e utilizado como semicondutor utilizado em transistores e outros componentes eletrônicos. Ao aquecer os gases, eles sofrem uma reação química que deixa um pó branco no interior do tubo de vidro. O calor funde o pó formando o que se tornará o núcleo da fibra óptica. O tubo de vidro será a capa que envolve a fibra. Quando há pó fundido o suficiente, aumenta-se o calor até que este pó acabe se convertendo em vidro. Em seguida, o tubo de vidro é aquecido junto com o vidro que está dentro dele, assim o calor intenso fará com que a capa do tubo e o interior dele se unem e formam uma vara sólida. A estrutura interna da fibra óptica, nesta altura, já está feita. Mas ainda é uma vara grande, a denominada vara pré-forma então o próximo passo é afinar o diâmetro até ele chegar a sua forma final. Para isto, primeiramente a pré-forma é separada do tubo e colocada em uma estrutura vertical que chamamos de torre de puxamento. Nesta torre, a pré-forma fixada num alimentador que a introduz num forno com temperatura de aproximadamente 2000°C. Figura 1: Fabricação da Fibra Óptica Então o material derrete e devido à gravidade, ele é todo empurrado para baixo, como mel caindo de uma colher. O material é esticado até se tornar apenas um capilar de vidro, a fibra óptica. . 14 O diâmetro da fibra depende da velocidade de alimentação da pré-forma no forno e da velocidade de enrolamento da fibra, ambas controladas por computador. Para que a fibra tenha o diâmetro correto, um medidor óptico de diâmetro que funciona a laser assegura que as fibras cheguem a um diâmetro de 125 micrometros, o que é equivalente a cerca de um oitavo de um milímetro de espessura. Logo, a fibra passa entre lâmpadas ultravioletas que proporcionam uma capa acrílica em torno da fibra para protegê-la da poeira e outros contaminantes. Finalmente, a fibra é enrolada em carretel para ser despachada para os clientes, ou já é colocada em um cabo. 4.4 - PARTES DA FIBRA ÓPTICA Uma fibra óptica possui as seguintes partes: • Núcleo - minúsculo (18 milímetros², espessura de um fio de cabelo) centro de vidro da fibra, no qual a luz viaja; • Casca - material óptico externo que circunda o núcleo e reflete a luz de volta para o mesmo; • Capa protetora - revestimento plástico que protege a fibra de danos e umidade. Dezenas dessas fibras ópticas são dispostas em feixes nos cabos ópticos, que são protegidos pela cobertura externa do cabo, chamada jaqueta. 4.5 - TIPOS DE FIBRA ÓPTICA A fibra óptica pode ser dividida através do meio de propagação do sinal. Quando um sinal se propaga através da fibra em várias direções simultâneas diferentes, características estas da Fibra Multímodo, agora quando se propaga em apenas uma direção tem-se a Fibra Monomodo. Quando comparamos uma fibra multímodo com uma fibra monomodo conclui-se que as mesmas têm vantagens e desvantagens na construção de um enlace. Uma Fibra Multímodo pode ser construída com tamanhos de núcleos de 50; 62,5; 82,5 ou 100 μm, e quando confeccionadas com plástico especial geralmente são da ordem de 1000 μm. São usadas principalmente em LAN’s, pois tem um baixo custo e apresentam alto índice de refração quando comparadas com outras fibras confeccionadas para a 15 mesma situação e, também por ter o seu processo de fabricação maissimples, dependendo da dopagem realizada para se obter um melhor índice de refração, tem maior aproveitamento a curtas distâncias, porém com uma taxa de transmissão menor quando comparada com uma Fibra Monomodo. As Fibras Monomodo possuem o diâmetro do seu núcleo da ordem de 3 a 8 μm, muito menor se comparado com o núcleo de uma fibra multimodo, o que proporciona uma desvantagem no alinhamento dos núcleos nas emendas e conectores, que devido a este problema, precisam ser específicos aumentando o custo de implantação. Mas hoje a fibra Monomodo é a mais utilizada em enlaces intercontinentais, nacionais e metropolitanos, devido a sua baixa atenuação para longas distâncias e alta capacidade de transmissão de taxas elevadas, superiores a Gbit/s. Figura 2: Fibra Multimodo e Fibra Multimodo 4.6 DISPOSITIVOS ÓPTICOS DE RECEPÇÃO E TRANSMISSÃO 4.6.1 Fontes Luminosas As fibras ópticas jamais teriam ganhado a ênfase que ganharam se não houvesse um desenvolvimento grande em paralelo das fontes luminosas (fotoemissores) e dos receptores luminosos (fotodetectores). Estes dispositivos são ambos feitos com materiais semicondutores, tendo suas características dadas por tais compostos. 16 As fontes devem possuir potência de emissão luz que permita a transmissão por longos espaços, variar o mínimo possível com as condições do meio e tornar viável o acoplamento da luz na fibra, através das lentes convergentes ou de outros métodos. Para sistemas de transmissão por fibra óptica utiliza-se como fonte de luz um diodo LASER (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation) ou um diodo emissor de luz (LED). No caso de redes ópticas aonde o sinal irá se irradiar por quilômetros, o diodo LASER é o mais indicado, pois o mesmo possui um controle de irradiação por polarização DC. Sendo que a emissão de luz somente é iniciada quando uma corrente DC aplicada ao laser, atinja um limiar, o que permite que a sua potência luminosa seja superior ao LED, que não possui limiar e irradia qualquer corrente positiva que o atravessa. Assim a presença de um “1” lógico eleva a corrente para além do limiar e faz o diodo laser emitir luz, e o “0” lógico mantém a corrente no limiar, não ocorrendo irradiação. A faixa de frequências (ou comprimentos de onda) mais utilizadas pelas comunicações ópticas se encontra nas regiões do infravermelho, luz visível e ultravioleta do espectro, visualizado na figura 3. Figura 3: Espectro eletromagnético Na região da radiação infravermelha se encontra duas faixas de frequência nas quais o vidro é eficiente, que ocorre nos comprimentos de onda de 0,85 μm e na faixa entre 1,1 e 1,6 μm. Assim os dispositivos LASERS utilizam os comprimentos de onda 1310nm e 1550nm, em sua maioria Detalhe que é evidenciado na figura 4. Figura 4 - Janelas para transmissão pela fibra 17 4.6.2 Receptores Luminosos A função dos fotodetectores é absorver a luz transmitida pela fibra e convertê- la em corrente elétrica para processamento do receptor. O ideal é que os fotodetectores tivessem o maior alcance possível, operando nos menores níveis possíveis de potência óptica, e convertendo-a em eletricidade com o mínimo de erros e de ruído. A conversão de luz em corrente é realizada utilizando a energia do fóton para retirar elétrons da camada de valência de um semicondutor (fotoionização), gerando portadores de carga e colocando-os em movimento, o que caracteriza a corrente. Há dois tipos básicos de fotodiodos, o fotodiodo p-i-n e o fotodiodo de avalanche (Avalanche photodiode ). O primeiro é um fotodiodo (diodo receptor de luz) comum que tem entre suas regiões P e N, uma região não dopada, chamada de região intrínseca, cujo objetivo é manter o campo elétrico na região constante. O segundo, por sua vez, é próximo ao p-i-n, mas gera campos elétricos mais fortes o que o torna mais sensível que o p-i-n e, ao mesmo tempo, aumenta o ruído captado. A eficiência de um receptor mede-se verificando a razão entre o sinal e o ruído. Isso ocorre porque a potência óptica que é recebida pode chegar a nanowatts, o que torna necessária à amplificação do sinal. Assim, a eficiência de um fotodetector depende de sua capacidade de amplificar o sinal, sem gerar ruído novo nem amplificar os que vêm misturados com o sinal. Os receptores luminosos estão sujeitos a diversos fatores de contaminação, dentre os quais a potência óptica de polarização, que pode ser tratada como uma radiação de fundo, e a corrente escura, que é a corrente gerada pela excitação térmica do receptor, sem que ele esteja recebendo luz, entre outros. Figura 5 – Esquema de dispositivos ópticos de recepção e transmissão. 18 4.7 VANTAGENS E DESVANTAGENS 4.7.1 Vantagens As fibras óticas possuem diversas vantagens sobre os meios convencionais de comunicação, as quais são citadas a seguir: Baixa atenuação – essa característica inerente a fibra óptica possibilita enlaces de maiores distancias, que exigem poucos repetidores ou regeneradores de sinal, representando uma diminuição dos investimentos no sistema, e de gastos com manutenção dos repetidores. A atenuação da fibra independe da frequência do sinal transmitido, o que não ocorre com os cabos convencionais. Largura de Banda – A elevada largura de banda da fibra óptica permite futuras expansões do sistema, com maior capacidade de transmissão, superando em muito os sistemas de transmissão por cabos metálicos. A fibra óptica possui uma faixa de uso potencial da ordem de 1012Hz (1THz); Meio de Transmissão Taxa de (Mbps) Transmissão Canais de Voz Distância entre Repetidores (Km) Coaxial 3,1 6,3 45 90 48 96 672 1344 1-2 Fibra Óptica 90 180 435 565 1700 1344 2688 6048 8064 24192 12-30 (multimodo) 70-80 (monomodo) Figura 6 – capacidade de transmissão de canais telefônicos. Imunidade a interferência eletromagnética – o material que constitui as fibras ópticas é dialético, assim, as fibras não são afetadas por campos eletromagnéticos próximos. Baseando-se nisto, a sua aplicação se torna 19 necessária em sistemas que podem sofrer degradações causadas por descargas elétricas e instalações elétricas de alta tensão, com a inserção de ruído no meio de transmissão; Baixo peso – a fibra óptica pesa aproximadamente 30 g/Km e se compararmos com um cabo coaxial, o cabo óptico possui um peso dez vezes menos, o que viabiliza instalações em aviões e automóveis, onde peso é um importante parâmetro; Pequena Dimensão – O diâmetro externo de uma fibra óptica é 125 μm, o que possibilita a fabricação de cabos ópticos compactos. Assim, os cabos ópticos se tornam atrativos para aplicações, onde o espaço é limitado, e onde deve-se fazer eficiente utilização do espaço disponível, como em aviões, submarinos e dutos cheios, propiciando também facilidade e rapidez de instalação; Sigilo – A impossibilidade de se retirar ou colocar sinais ópticos ao longo da fibra sem prejudicar o sistema, torna-o altamente sigiloso e seguro; Isolação Elétrica – Devido às fibras ópticas serem dielétricas, de vidro ou polímeros, isolam eletricamente os terminais de comunicação, eliminando o uso de dispositivos de proteção contra surtos (centelhadores), possibilitando sua utilização em áreas de atmosfera explosiva, por não produzirem faiscamentos. 4.7.2 Desvantagens Apesar das vantagens apresentadas anteriormente em relaçãoaos meios de comunicação convencionais, existem ainda alguns cuidados e desvantagens quanto a utilização das fibras ópticas que devem ser considerados. Acoplamentos e Emenda – Existem alguns cuidados quanto a emenda e conexões das fibras ópticas que quando malfeitas, podem acarretar em perda de grande parte da potência óptica. Essas emendas entre fibras requerem equipamentos de grande precisão; Derivações Limitadas – em sistemas com fibras ópticas, existem limitações quanto ao número de derivações passivas. Pois os componentes utilizados para este fim, atenuam o sinal consideravelmente; 20 Fragilidade da Fibra – A fibra óptica quando manuseada sem proteção mecânica (revestimento) esta sujeita a quebra com mais facilidade que os cabos convencionais. 4.8 APLICAÇÕES 4.8.1 Rede telefónica Uma das aplicações básicas onde as fibras ópticas foram utilizadas foi a rede telefónica. A fibra óptica, desenvolvendo sistemas de alta capacidade, era utilizada no chamado sistema tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano, que podiam ter desde algumas dezenas e centenas de quilómetros. Elas traziam vantagens em tais projetos pois, graças à sua capacidade de percorrer grandes distâncias sem a necessidade de repetidores e à sua grande capacidade de transmissão de banda, reduziam significantemente os custos em relação aos demais cabos e materiais utilizados para os mesmos fins. Uma outra aplicação da fibra, ainda na telefonia, é na interligação de centrais telefónicas urbanas. Estas centrais não envolvem longas distâncias, mas as fibras ópticas entram como forte opção pois as redes subterrâneas estão geralmente congestionadas e porque sua grande banda passante é capaz de atender uma demanda crescente, representada pelo crescimento do número de usuários da rede. 4.8.2 Rede digital de Serviços Integrados As fibras ópticas são capazes de suportar os novos serviços de transmissão oferecidos pela rede digital de serviços integrados, graças à sua grande capacidade de transmissão. As fibras ainda não dominaram totalmente tal aplicação por conta de seu custo ainda alto, e por conta da dificuldade de realização de interfaces ópticas adequadas aos aparelhos telefónicos. 4.8.3 Cabos submarinos Os cabos submarinos são parte integrante da rede internacional de telecomunicações, e são mais um exemplo no qual as fibras ópticas obtiveram 21 sucesso. Os cabos convencionais utilizam cabos coaxiais de alta qualidade, com grande diâmetro para diminuir a atenuação, mas requerem repetidores separados por distâncias de 5 a 10 km. Com as fibras ópticas, essa distância entre repetidores pode ser aumentada para mais de 100km, além de oferecer outras vantagens já conhecidas como a alta banda passante e facilidades operacionais devido a suas pequenas dimensões O primeiro dos cabos ópticos submarino transatlântico, o TAT-8, entrou em operação em 1988, e elevou para 20000 circuitos de voz a capacidade de tráfego entre EUA e Europa graças à sua grande capacidade de transmissão e à tecnologia DWDM. Desde então, foram instalados muitos outros cabos, criando uma forte rede de comunicações que interligam todos os 5 continentes, tendo cada cabo capacidade de transmissão da ordem de 5Tbps. Os cabos são utilizados para diferentes tarefas, como transmissão de dados, telefonia, televisão, etc. Estima-se que atualmente a extensão de cabos de fibra óptica em uso no planeta seja de 300 milhões a 400 milhões de quilômetros. De modo comparativo, essa extensão seria ao menos cem vezes maior que a circunferência de 39.400 km do globo terrestre, conforme dados da agência TeleGeography8, empresa especializada em pesquisa de mercado, consultoria em assuntos referentes a telecomunicações, atuando desde 1969 como uma das maiores provedoras de dados referente a Internet e seus usos, sediada em Washington-DC, EUA. Um recente levantamento feito pela mesma agencia identificou as ligações dos continentes feitas por fibra óptica através dos oceanos, conforme Figura 7. 22 Figura 7: Principais cabos submarinos em funcionamento 4.8.4 Televisão por cabo Os atrativos da fibra óptica para os sistemas de televisão por cabo são as já conhecidas grandes capacidades de transmissão e o seu alcance sem repetidores. Nos sistemas de televisão por cabo com cabos coaxiais, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 km e o número de repetidores está limitado a 10 por conta do ruído e da distorção aos quais tais cabos estão submetidos. Portanto, as fibras ópticas superam economicamente e com a sua fiabilidade os cabos coaxiais banda-larga. 4.8.5 Sensores As fibras ópticas são utilizadas em sistemas sensores ou de instrumentação seja em aplicações industriais, médicas, automóveis e até militares. A ideia de utilizar a fibra óptica em tais ambientes vale-se de suas pequenas dimensões e da sua resistência à ambientes hostis. 23 4.8.6 Na Automobilística Na automobilística, as aplicações das fibras vão desde o controle do motor e da transmissão até os acessórios secundários (controlo de janelas e portas, aquecimento e refrigeração de ar, entre outros). As vantagens da fibra de ser imune às interferências, ter dimensões pequenas e isolamento eléctrico, auxiliaram para que ela conquistasse mais este tipo de aplicações. 4.8.7 Na Indústria Na indústria, as fibras ópticas são utilizadas principalmente em sistemas de telemetria, graças à resistência da fibra a diferentes condições de temperatura, pressão, e outros, e supervisão de controlo de processos. 4.8.8 Na Medicina O uso de fibras ópticas em aplicações médicas tem evoluído bastante desde as aplicações pioneiras do Fiberscope, onde um feixe de fibras de vidro servia basicamente para iluminar e observar órgão no interior do corpo humano. Hoje em dia, tem-se uma variedade de aplicações de sistemas sensores com fibras ópticas em diagnóstico e cirurgia. Inseridos através de cateteres ou subcutaneamente, sensores de fibras ópticas miniaturizados permitem monitorar funções biológicas internas dos pacientes. Estes sensores, que podem permanecer aplicados no paciente durante um longo tempo, permitem testar e acompanhar processos biológicos em tempo real, de vital importância, por exemplo, em cirurgias. Dentre os sistemas sensores com fibras ópticas em aplicações médicas podem ser destacados os seguintes: Sensores de temperatura: têm sido utilizados, por exemplo, em terapia hipertérmica radiológica de tumores cancerígenos, onde as qualidades de imunidade electromagnética das fibras ópticas são únicas, face à radiação de microondas da fonte de calor utilizada. A faixa de atuação típica dos sensores de temperatura para aplicações médicas é de 0 a 100ºC e com precisão de 0,01ºC; 24 Sensores de pressão: utilizados para monitorar a pressão intracraniana, cardiovascular, uretral ou retal. A faixa de atuação é de 0 a 300mm de mercúrio com precisão de 0,5%; Sensores magnéticos: permitem obter o mapeamento dos campos magnéticos gerados pelo cérebro, útil no tratamento de ataques de epilepsia; Sensores de pH: utilizados para monitorar o nível de oxigénio do sangue, permitindo, por exemplo, acompanhar o comportamento de feto numa cirurgia cesariana. Atua tipicamente numa faixa de pH entre 7 e 7,4 com precisão de 0,001, sendo que o nível de asfixia é indicado por pH 7,2. Sensores devazão: utilizados para monitorar a vazão sanguínea em aspersões para diagnósticos em cirurgias vasculares ou plásticas, para monitorar o sistema de circulação ou para avaliar grau de queimaduras com precisão e presteza. Além dos sensores acima descritos, as fibras ópticas têm sido utilizadas como instrumentos cirúrgicos (cateteres), por exemplo, monitorizando e controlando com precisão a limpeza de artérias cardiovasculares ou a destruição de tumores. As aplicações médicas de fibras ópticas podem ainda incluir redes de comunicações locais em grandes hospitais ou redes de distribuição de recursos concentrados num hospital especialista para assistência de médicos em localidades remotas. As fibras ópticas suportam transferências de dados de alta velocidade e comunicações visuais utilizadas para monitorização remota de pacientes ou equipamentos, na consulta às informações sintomáticas especializadas ou ainda em procedimentos cirúrgicos. Interferências eletromagnéticas dos equipamentos hospitalares de alta tensão (por exemplo, raios-X) são evitadas com o uso de fibras ópticas. Aparelhos que utilizam fibra óptica para transmissão da luz fria garantem um campo de trabalho sem reflexo, sem aquecimento ou obstrução do campo visual da membrana timpânica. Portanto, para uso médico, é indicado que se procure estas características no aparelho. 4.8.9 Fins Militares A fibra ótica tem várias vantagens em relação aos equivalentes elétricos como largura de banda, pequeno peso e tamanho, resistência à corrosão, flexibilidade 25 geométrica e imunidade a interferência eletromagnética. No caso de arranjo de sonares rebocados, a fibra ótica pode ser usada como sensor e como transmissor de dados ao navio mãe. Os links de comunicações por fibra ótica estão substituindo os equivalentes de cabo de cobre em várias aplicações militares como complexos de Centro de Comando e eletrônicos de veículos (vectrônicos). Várias marinhas estão instalando LANs de fibra ótica abordo de navios. A capacidade dos links de fibra ótica de levarem dados seguros e transmitir imagens de grande banda torna o sistema ideal para várias aplicações que precisam do comando humano de armas e sensores. O operador pode usar as saídas de dados da cabeça de busca para realizar reconhecimento durante o caminho e enviar vários comandos durante a fase terminal. Pode identificar o objetivo de interesse no meio de vários alvos em potencial, selecionar o ponto de impacto, trancar a cabeça de busca naquele local e abortar a missão se houver dúvida sobre a identificação. Outras vantagens incluem manipular a arma longe da linha de visão do alvo escondendo o local de lançamento e mantendo a maior parte do complexo e caro sistema de guiamento na estação em terra. Contudo, os requerimentos de desenrolamento do cabo de fibra ótica a altas velocidades determinam limitações do projeto da fibra ótica e da bobina onde está enrolado. Sistemas de controle de voo tipo “Fly-By-Light” (FBL) são uma especialização da aplicação da fibra ótica para comunicação de dados militares. Assim como os sinalizadores elétricos (fly-by-wire) substituíram os cabos e roldanas para transmitir os comandos para as superfícies de controle, o FBL será o próximo passo substituindo o FBW. Os experimentos mostraram que não existe muita vantagem em redução de peso e custo. Empresas fabricantes de sonares já testaram sonares rebocados usando fibra ótica como elementos sensitivos. O AODS tem o objetivo de produzir um sistema de vigilância compacto usando bateria para operações em águas rasas. Nos testes em 2009, um sistema com hidrofones de 84 canais de fibra ótica foi lançado em menos de um dia e operou por nove meses. Os giroscópios de fibra ótica (FOG em inglês) têm várias vantagens em relação os mecânicos ou a laser como custos, vida útil, velocidade de inicialização, tamanho pequeno, baixo peso e rusticidade. Os FOGs exploram o efeito Sagnac onde dois raios viajando em direções opostas ao redor de um círculo chegarão ao 26 ponto de referência com uma diferença de fase devido a rotação. Este conceito é implementado ao enviar dois raios de luz em um rolo de fibra e reunir os dois num detector. Sem a rotação do rolo, os dois sinais estão na mesma fase e formam um pico máximo de sinal no detector. Com a rotação do rolo, o sinal interfere e o detector percebe diminuição da energia. A energia no detector é função da diferença de fase entre os dois raios e está relacionado com a taxa de rotação das relações acima. Os FOGs estão sendo integrados em sistema de navegação que incluem o uso de GPS para tirar vantagem dos dois sistemas. Várias companhias têm desenvolvido sistemas de proteção de perímetro com sensores de fibra ótica para detectar invasores. Um dos benefícios é a imunidade a interferência eletrônica como a encontrada próxima a equipamentos de alta voltagem ou áreas sujeitas a relâmpagos. O link de cabo de fibra ótica pode ser usado para guiamento e comunicação, permitindo que o submarino comande a cabeça de busca do torpedo e pode usá-la como sensor para o conjunto de combate submarino. O torpedo pode ser guiado por fio ou de forma autônoma após partir o cabo. Com o comando por cabo a resistência a contramedidas é aumentada e a probabilidade de acerto aumenta com a troca de dados e comando humano. A fibra ótica também pode ser usada em bombas, sonobóias e veículos pilotados remotamente aéreos, terrestres e submarinos. Os despistadores rebocados de fibra ótica estão se tornando parte dos subsistemas defensivos de aeronaves militares. Um gerador de técnicas de interferência na aeronave mãe, replica sua assinatura de radar que é transmitida até o FOTD pelo cabo de fibra ótica. O interferidor passa a irradiar o sinal para enganar mísseis atacantes para longe da aeronave defendida. Mísseis anticarro guiados por cabo existem há mais de cinco décadas. O guiamento por fio metálico é usado em guiamento de mísseis de curto alcance desde a segunda Guerra Mundial. A fibra ótica é considerada ideal para controle de armas e sensores sobre controle humano. O uso de tecnologia de fibra ótica para defesa em curtas distâncias e armas guiada superfície/superfície estão sendo estudadas em vários países. 27 A principal característica dos mísseis guiados por fibra ótica e com sensores de imagem é a polivalência. Eles podem atacar carros blindados e carros de combate, fortificações, helicópteros e tem capacidade antipessoal. Os mísseis guiados por fibra ótica podem atacar pela parte superior que é a parte menos protegida de um tanque ou fortificação ou diretamente se o alvo estiver coberto na parte superior. Nos estudos de sistemas anti-helicópteros do US Army, foi concluído que para atacar um helicóptero é necessário usar um míssil de hipervelocidade ou de fibra ótica devido ao pouco tempo que os helicópteros ficam visíveis. Os mísseis de hipervelocidade usariam a velocidade para alcançar a aeronave o mais rápido possível enquanto o míssil guiado por fibra ótica usaria sua cabeça de busca e capacidade de reaquisição para a busca sistemática da aeronave escondida no relevo e vegetação. Nos mísseis guiados por fibra ótica, o fio se desenrola de um carretel na traseira do míssil quando disparado de plataforma estacionária. Uma plataforma móvel precisa de carretel no lançador pois pode manobrar durante e após o disparo. O guiamento de meio curso é feito geralmente com piloto automático e o guiamento final é geralmente semiautomático para melhorar precisão. O atirador só faria a identificação e indicação do alvo. Ele pode escolhero melhor ponto de impacto e a qualquer momento pode tomar controle manual do míssil. O cabo pode se desenrolar sem problemas a velocidades próximas de “Mach 1”. Em altas velocidades o problema será a capacidade de reação humana. . Figura 8: Modelo de Míssil guiado por Fibra Óptica 28 CONCLUSÃO Conclui-se com este trabalho, como visto dentro do conteúdo apresentado, a fibra é fundamental para o desenvolvimento da humanidade nos próximos anos e que tende a popularizar-se ainda mais a utilização dessa tecnologia. A utilização em grandes distancias hoje por essa tecnologia é uma realidade mais que presente no mundo inteiro, sendo muito lucrativo e disputado pelas empresas que possuem a competência necessária. Desde uma LAN em um prédio comercial, até um míssil militar, a fibra mostra a sua competência em levar dados de modo fácil, rápido e confiável, se tornando um meio seguro e dinâmico de comunicação de precisão. 29 REFERÊNCIAS A Fibra Ótica. Disponível em: http://super.abril.com.br/tecnologia/fibra-otica-439075.shtml. Acesso em: 02/05/2016 A guerra da super banda larga. Disponível em: http://www.istoedinheiro.com.br/noticias/47393_A+GUERRA+DA+SUPER+BANDA +LARGA Acesso em: 04/05/16 Aos 30, fibra óptica mudou as telecomunicações do país. Disponível em: http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/maio2007/ju359pag6-7.html Acesso em: 28/05/16 Anatel arrecada 25 bilhões com o leilão de lotes nacionais. http://g1.globo.com/tecnologia/noticia/2012/06/anatel-arrecada-r-25-bilhoes-com- leilaode-lotes-nacionais-do-4g.html Acesso em 29/05/2016 Brasil possui 16 mil quilômetros de fibra óptica ociosos. Disponível em: http://info.abril.com.br/noticias/tecnologia-pessoal/brasil-tem-16-mil-km-de- fibraoptica- ociosos-24112009-45.shl Acesso em 12/05/2016 MATOS, Edison Puig Maldonado e Dinaldo de Castilho. Aspectos Fundamentais da Tecnologia de Fibras Ópticas. 2003. Disponível em: http://puig.pro.br/Laser/TutFO.pdf
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