Cabeamento Aula 8 Fibras +ôpticas

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Disciplina: Cabeamento Estruturado
Aula: Meios Ópticos
2º semestre/2016
Meios Ópticos
 
São meios por onde trafegam informações na forma de raios de luz
- Fibra Ótica: filamento de sílica ou plástico por onde é realizada a transmissão de um sinal de luz;
- Sinal codificado dentro do domínio de freqüência do infravermelho (1012 a 1014 Hz).
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Transmissor Óptico:
O transmissor óptico é composto por um dispositivo emissor de luz e o circuito driver associado. O dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do sistema, é o responsável pela tarefa de conversão eletro-óptica dos sinais. Dois tipos de dispositivos são
comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibrasópticas: os diodos laser (DUs) e os diodos eletroluminescentes (LED's). 
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Receptor Óptico:
O receptor Óptico compõe-se de um dispositivo fotodetector e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotodetector, outro elemento ativo básico de sistemas de transmissão por fibras ópticas, é o responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em sinal elétrico.
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Fibra Óptica:
A fibra óptica, por sua vez, corresponde ao meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Formada por um núcleo de material dielétrico (em geral, vidro) e por uma casca de material dielétrico (vidro ou plástico) com índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, a fibra óptica propaga a luz por reflexões sucessivas. Esta estrutura básica da fibra óptica, na prática, é envolta por encapsulamentos plásticos de proteção mecânica e ambiental, formando um cabo óptico que pode conter, conforme a aplicação, uma ou
mais fibras.
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Fibra Óptica:
Existem duas classes principais de fibras ópticas: as monomodo e as multimodo. As fibras ópticas monomodo, de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação (ou, em termos de óptica geométrica, transmitem apenas o raio axial). As fibras multimodo, por seu lado, possuem vários modos de propagação e, de acordo com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao núcleo, classificam-se cm: índice degrau e índice gradual. Dentre as fibras multimodo, as com índice gradual apresentam bandas passantes superiores às com índice degrau.
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Fibra Óptica:
A atenuação em fibras ópticas é causada por múltiplas fontes, desde as perdas por absorção, intrínsecas ao material que compõe a fibra, até perdas devidas às imperfeições na sua fabricação. Compostas principalmente por sílica (vidro) e dopantes semicondutores, as fibras ópticas caracterizam-se pela existência de regiões espectrais onde a atenuação é mínima. Essas regiões, conhecidas como janelas de transmissão, situam-se em torno dos seguintes comprimentos de onda: 850nm, 1300nm e 1550nm.
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Acoplamento e conexões:
O acoplamento da fibra óptica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores, em razão das dimensões envolvidas, exige o uso de técnicas sofisticadas e de muita precisão, a fim de limitar as perdas de acoplamento. A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibra óptica pode ser realizada de modo permanente através de emendas ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. As junções multiponto utilizam-se de acopladores de diversos tipos.
Fibras Ópticas
Elementos Básicos
 
Fibras Ópticas
Modulação
 
Em sistemas.de transmissão por fibras ópticas, como nos sistemas convencionais, a informação é transmitida modulando-se a emissão da portadora Iuminosa. A modulação da fonte luminosa pode ser feita com sinais elétricos analógicos ou digitais. No caso analógico, a intensidade do feixe luminoso emitido varia continuamente, enquanto que, no caso da modulação digital, a intensidade de luz tem variação discreta na forma de pulsos luminosos do tipo on-off.
Fibras Ópticas
Modulação
 
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas do tipo digital, envolvem o uso de um codificador, onde o sinal digital vindo da fonte de informação é codificado convenientemente para a transmissão óptica, e de um decodificador que, no lado da recepção, se encarrega de decodificar a informação digital original. Esta relativa maior complexidade dos sistemas digitais é, no entanto, largamente compensada, na prática, pelo desempenho superior em termos dc capacidade de transmissão (banda passante) e de alcance.
Fibras Ópticas
Espectro de Transmissão
 
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas desenvolvidos até hoje operam principalmente na região espectral de 0,6-1,6 mm, com preferência para as janelas de transmissão em 0,85 mm, 1,3 mm e 1.55 mm. Nessa região, já existem materiais semicondutores (Si, Ge, AlGaAs, lnGaAsP, etc.) adequados à fabricação de fontes luminosas e fotodetectores de bom desempenho, bem como de fibras ópticas com atenuação muito baixa. É importante observar, no entanto, que estas fronteiras não são estáticas, mas um resultado de contínuos avanços tecnológicos.
Fibras Ópticas
Espectro de Transmissão
 
Fibras Ópticas
Vantagens
 
As características especiais das fibras ópticas implicam consideráveis vantagens em relação aos suportes físicos de transmissão convencionais, tais como o par metálico e o cabo coaxial. Mesmo considerando-se o suporte de rádio-freqüência em microondas, a transmissão por fibras ópticas oferece condições bastante vantajosas.
Fibras Ópticas
Vantagens
 
Banda passante potencialmente enorme:
A transmissão em fibras ópticas é realizada em freqüências ópticas portadoras na faixa espectral de 1012 a 1014 Hz (10 a 100 THz). Isto significa uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes superior, por exemplo, à capacidade dos atuais sistemas de microondas que operam com uma banda passante útil de 700 MHz. Atualmente, já estão disponíveis fibras ópticas comerciais com produtos banda passante versus distância superiores a 200 GHz.km . Isso contrasta significativamente
com os suportes convencionais onde, por exemplo, um cabo coaxial apresenta uma banda passante útil máxima em tomo de 400 MHz.
Fibras Ópticas
Vantagens
 
Banda passante potencialmente enorme:
Fibras Ópticas
Atenuação versus freqüência
Vantagens
 
Perdas de transmissão muito baixas:
As fibras ópticas apresentam atualmente perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuações típicas da ordem de 3 a 5 dB/km na região cm tomo de 0,85 mm até perdas inferiores a 0,2 dB/km, para operação na região de 1,55 mm. Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de onda superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda menores, da ordem de centésimos e, até mesmo, milésimos de decibéis por quilômetros.
Fibras Ópticas
Vantagens
 
Perdas de transmissão muito baixas:
Fibras Ópticas
Vantagens
 
- Imunidade a interferências e ao ruído;
 Isolação elétrica;
 Pequeno tamanho e peso;
 Segurança da informação e do sistema;
 Flexibilidade na expansão da capacidade do sistema;
 Custos potencialmente baixos;
 Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura.
Fibras Ópticas
Aplicações:
 
- Redes corporativas;
 Sistemas de energia e transporte;
 Sensores: temperatura, pressão, nível de líquidos, vazão de líquidos, posição ou rotação, aceleração ou vibração, poluição, giroscópios, fadiga
 Aplicações médicas;
 Automóveis;
 Aplicações militares.
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Submarinos
 
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Submarinos 
 
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Submarinos
 
Fibras Ópticas
Aplicações
- Cabos Submarinos
 
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Terrestres 
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Terrestres 
Fibras Ópticas
Aplicações - Cabos Terrestres – MAN’s 
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
Uma fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (em geral, sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo humano.
A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por uma camada, também de material dielétrico, chamada casca. A seção em cone transversal mais usual do núcleo é a circular, porém fibras ópticas especiais podem ter um outro tipo de seção (por exemplo, elíptica).
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
A composição da casca da fibra óptica, com material de índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, oferece condições à propagação de energia luminosa (freqüências ópticas) através do núcleo da fibra óptica. O mecanismo básico de transmissão
da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de reflexão interna total que ocorre quando um feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso.
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão, ditadas essencialmente pelo perfil de índices de refração da fibra e pela sua habilidade em propagar um ou vários modos de propagação; Com implicações principalmente na capacidade de transmissão (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectores luminosos, resultam dessa classificação básica os seguintes tipos de fibras ópticas:
 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 porém, uma capacidade de transmissão bastante limitada;
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
 Multimodo índice gradual: complexidade média na fabricação e dimensões moderadas que implicam uma conectividade relativamente simples; apresenta uma capacidade de transmissão alta;
 Monomodo: tem dimensões muito pequenas, dificultando, portanto, a conectividade;caracteriza-se, entretanto, por uma capacidade de transmissão bastante superior às fibras do tipo multimodo.
Fibras Ópticas
Estrutura Física
 
Fibras Ópticas
Características de Transmissão
 
 Atenuação: A atenuação experimentada pelos sinais luminosos propagados através de uma fibra óptica é uma característica cujo papel é fundamental na determinação da distância
máxima (alcance) entre um transmissor e um receptor óptico. A atenuação (ou as perdas de transmissão) de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua
saída. Essa relação, em geral expressa em decibéis por quilômetro (dB/km).
Fibras Ópticas
Características de Transmissão
 
 Dispersão: O fenômeno de dispersão em uma fibra óptica, resultado dos diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam a energia luminosa, tem por efeito a distorção dos sinais transmitidos, impondo, portanto, uma limitação na sua capacidade de transmissão. No caso de transmissão digital, a mais usual, o espalhamento dos pulsos ópticos resultantes da dispersão, determina a taxa máxima de transmissão de informação por
unidade de tempo (bits por segundo) através da fibra. No caso mais geral de transmissão analógica, a distorção do sinal óptico transmitido traduz-se numa limitação da banda passante (Hertz) da fibra óptica.
Fibras Ópticas
Processos de Fabricação
 
 Preformas: As preformas utilizadas na fabricação de fibras de sílica consistem num bastão cilíndrico de vidro cuja composição material (sílica pura ou dopada) reflete a estrutura núcleo/casca
da fibra óptica, isto é, material de índice de refração superior envolto por material de índice de refração inferior, segundo espessuras e concentrações bem determinadas.
As técnicas de fabricação de preformas baseiam-se num processo de deposição de vapor químico (Chemical Vapor Deposition - CVD), bastante utilizado na fabricação de semicondutores, onde a sílica e os ácidos dopantes são sintetizados por oxidação em estado de vapor a alta temperatura. 
Fibras Ópticas
Processos de Fabricação
 
Fibras Ópticas
Processos de Fabricação
 
 Puxamento: Uma vez feita a preforma de vidro, o próximo passo na fabricação da fibra óptica é o processo chamado de puxamento. Este processo é realizado por um equipamento de puxamento cuja configuração esquemática é ilustrada na Figura a seguir. A preforma é colocada por um mecanismo de precisão, num forno onde é fundida (2000º C) até o ponto de ser puxada na forma de um filamento fino (fibra). O diâmetro da fibra é controlado
dinamicamente atuando-se no carretel de puxamento da fibra e no mecanismo de alimentação de preforma.
Fibras Ópticas
Processos de Fabricação
 
Fibras Ópticas
Cabos Ópticos
 
Os cabos ópticos são estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras ópticas que têm como funções básicas prover as fibras de:
 proteção e
Facilidade de manuseio.
Cabos multifibras: O empacotamento de várias fibras num único cabo óptico pode ser realizado de diversas maneiras e segundo o tipo de aplicação.
Fibras Ópticas
Cabos Ópticos
 
Fibras Ópticas