As primeiras etapas práticas para o emprego da luz em comunicações foram realizadas a partir de 1790, quando surgiram os heliógrafos e os semáforos. O heliógrafo era um instrumento usado para transmissão de mensagens telegráficas por meio das reflexões dos raios de sol em um espelho.

Ficou comprovado que transmissões de luz à céu aberto eram inaceitáveis devido a baixa confiabilidade apresentada. O sinal luminoso na atmosfera terrestre fica submetido a uma atenuação pêlos componentes atmosféricos e submetido a espalhamento pelas partículas também presentes no ar, por exemplo, o vapor d�água, o ozônio etc. A seguir um resumo das épocas:

500 a.C. - A notícia da queda de Tróia é levada através de uma cadeia de sinais de fumaça.

100. a. C. - Polybius inventa uma método de transmitir o alfabeto grego por sinais de fogo.

1775 - Revolução Americana, Torre Velha do Norte para Paul Revere. "Um por terra, Dois por Mar ".

1790 - Telégrafo óptico inventado por Claude Chappe.

1854 - John Tyndall descobre reflexões num jarro d'água.

1880 -Alexander Graham Bell inventa e patenteia o FOTOFON
- Charles Vermom Boys fabrica fibras de vidro.

1934 - AT&T emite patente de um telefone que transporta feixes de luz numa rede de cabos ópticos.

1954 - Conceito de "Fiberscope" demonstrado por N.S Kapany e o termo "Fibra Óptica" é cunhado.

1960 - Primeiro Laser ( Light Amplification by Simulated Emission and Radiation = Amplificação de Luz por Emissão Estimulada e Radiação ).

1965 - Demonstração de Lasers em fibra
- Aperfeiçoamento do detector avalanche com baixo ruído.

1966 - Charles Kao da B.T propõe fibras com baixas perdas ( 20 dB/Km) com que seria possível a comunicação. Naquela época as perdas eram 1000 dB/km.

1968 - Corning e NTT fabricam fibras com perdas baixas (250 dB/Km).

1970 - Corning demonstra as fibras de índice gradual com atenuação de 20 dB/Km.
- Corning e AT&T licenciam-se mutuamente.
- Laser semicondutor prototipado

1972 - Fabricada a fibra de 4dB/Km ( 40% da capacidade efetiva).

1974 - Fabricada fibra de 2 dB/Km. Largura de banda de 1 Ghz (63% da capacidade efetiva ).

1975 - Primeira fibra comercial pela Corning.

1976 - Emendas por fusão usadas para emenda de fibras.

1977 - Bell Northem, Bell e GTE instalavam links comerciais via fibra.

1978 - 70 Sistemas de fibra óptica funcionando no mundo.
- Fibra multimodo de 3Ghz desenvolvida
- Northem Telecom instala lances substituindo microonda para voz e vídeo usando fibras ópticas.

1979 - B.C Tel e A.T.U instalam redes de fibra óptica no Pacífico Noroeste.

1980 - Fibras Ópticas usada para transmissão de vídeo nas Olimpíadas de Inverno em "Lake Placid".

1981 - Demonstrado sistema de 100 Km de fibra
- Planejado sistema multimodo em 1300 nm.

1982 - Introdução da fibra monomodo

1983 - Utilização de taxa de 135 MBPS com 1916 canais
- Instalado sistema em 1300 nm pela Continental de N.Y

1984 - Fibras Ópticas usadas nas Olimpíadas de Verão.

1985 - Operação do primeiro multicanal de CATV
- Planejamento do primeiro sistema monomodo em 1550nm.

1986 - Transmissão a 565 Mbps com 7064 canais por par de fibra.

1987 - 1,2 Gbps com 20.000 canais em teste de campo.
- Estabelecido o padrão para o " Fiber Data Distributed Interface ( FDDI), proposto pela ANSI.

1988 - Instalado o lance transatlântico de fibra óptica TAT-8, operando à 1300nm.
- A Bell Communication Research transmite 27 Gbps usando tecnologia WDM com 18 laser operando cada um à 1,5 Gbps sobre uma única fibra.

1989 - Phillips anuncia fibras de dispersão aplainada.
- Concluído o cabo óptico Transpacífico.
- Transmissão de 11 Gps em 260 km por fibra monomodo, usando amplificadores ópticos com fibras de dispersão deslocada.

1990 - HDTV anunciado para 1993.
- AT&T anuncia primeiro computador óptico
- Desenvolvido Amplificador Óptico Pulsado.

1991 - Diodo laser modulado à 350 Ghz.
- Primeira estação SONET de longa distância.
- AT&T anuncia LAN de100 Gbps usando Solitrons ( 10 - 15 anos para produção ).

1992 - FCC aprova tons de discagem para vídeo
- Jerrold fabrica laser para suportar 60-500 canais de vídeo.
- Zenith/AT&T demonstra HDTV digital cobrindo 120 Km.

1 - Imunidade à Interferências

O feixe de luz transmitido pela fibra óptica não sofre interferência de sistemas eletromagnéticos externos.

2 - Sigilo -

Devido à dificuldades de extração do sinal transmitido, obtém-se sigilo nas comunicações.

3 - Tamanho Pequeno

Um cabo de 3/8 de polegada (9,18mm) com 12 pares de fibra, operando à 140 MBPS pode carregar tantos canais de voz quanto um de 3 polegadas ( 73mm) de cobre com 900 pares trançados. Menor tamanho significa melhor utilização de dutos internos.

4 - Condutividade elétrica nula

A fibra óptica não precisa ser protegida de descargas elétricas, nem mesmo precisa ser aterrada, podendo suportar elevadas diferenças de potencial.

5- Leveza

O mesmo cabo óptico citado no item 2 pesa aproximadamente 58 kg/km. O cabo de pares trançados pesa 7.250 Kg/km. Isto possibilita maiores lances de puxamento para o cabo de fibra óptica.

6 - Largura de Banda

Fibras ópticas foram testadas até os 350 bilhões de bits por segundo em uma distância de 100km. Taxas teóricas de 200-500 trilhões de bits por segundo são alcançáveis.

7 - Baixa Perda

As fibras monomodo atuais possuem perdas tão baixas quanto 0,2 dB/km (Em 1550 nm).

8- Imunidade à Ruídos

Diferente dos sistemas metálicos, que requerem blindagem para evitar radiação e captação eletromagnética, o cabo óptico é um dielétrico e não é afetado por interferências de rádio frequência ou eletromagnéticas. O potencial para baixas taxas de erro, elevam a eficiência do circuito. As fibras ópticas são o único meio que podem transmitir através de ambientes sob severa radiação.

9 - Alta Faixa de Temperatura

Fibras e cabos podem ser fabricados para operar em temperaturas de -40º C até 93ºC. Há registros de resistência a temperatura de -73ºC até 535ºC.

10 - Sem Risco de Fogo ou Centelhamento

As fibras ópticas oferecem um meio para dados sem circulação de corrente elétrica. Para aplicações em ambientes perigosos ou explosivos, elas são uma forma de transmissão segura.

A característica física que possibilita a transmissão de um sinal de luz através de uma fibra óptica é o chamada "PRINCÍPIO DA REFLEXÃO INTERNA TOTAL DA LUZ ".
Resumidamente, um feixe de luz, ao atravessar um meio com índice de refração n1 , para um meio com índice de refração menor, n2, e o ângulo do raio incidente é maior que o chamada ângulo crítico, neste caso ocorre a reflexão total do raio.Com relação ás fibras ópticas, a Reflexão Total Interna ocorre quando um núcleo de maior índice de refração é encapsulado por uma casca de menor índice de refração.
A seguir explicaremos um pouco mais este conceito de reflexão total.

Da teoria eletromagnética básica, sabe-se que na fronteira entre dois meios, quando nesta mesma incidir uma onda eletromagnética, surgem imediatamente duas outras ondas. Uma destas ondas retorna ao primeiro meio, dando origem a onda refletida e a outra encaminha-se para o segundo meio, constituindo-se a onda refratada ou transmitida. O princípio aplicado na teoria do guia óptico é a LEI DE SNELL, que estabelece uma relação entre ao ângulos dos raios incidentes e refletidos entre dois materiais de índice de refração diferentes.

n1senf 1 = n2sen f 2

R1,2,3 - RAIOS INCIDENTES

Consideremos o que ocorre quando um raio de luz percorrendo um meio com índice de refração n1 encontra uma interface com índice de refração n2<n1. Se este raio R1 incide com um ângulo f 1 , ocorre uma refração e este raio se propaga no meio com índice de refração n2, com um ângulo f 2.
Da lei de SNELL, temos que o ângulo f 2 é maior que o ângulo de incidência f 1.
Com o aumento do ângulo de incidência f 1, o ângulo f 2 também aumentará, até que f 2 atinja 90% e se propague paralelo ao meio 2. Este é o chamado ângulo crítico, representado pelo raio R2.
Para ângulos de incidência maiores que o ângulo crítico f c, o raio não passa para o meio 2, sendo totalmente refletido no meio 1.
Quando o ângulo de incidência for maior do que o ângulo crítico, haverá reflexão total e não haverá transmissão de energia para o segundo meio. O ângulo crítico só existe quando n1 > n2, isto é, quando a onda vai passar de um meio mais denso para um menos denso, do ponto de vista eletromagnético.

O índice de refração é calculado por :

n= c/v

onde :
n= Índice de refração
c = velocidade luz ( 3*10^8 m/s )
v = velocidade luz no meio considerado

Aplicando-se estes conceitos na fabricação de fibras ópticas foi possível transmitir um sinal luminoso sem que este se propagasse para fora da fibra. Ou seja, o núcleo da fibra, responsável por transmitir o sinal, foi envolvido em uma casca com índice de refração menor que o do núcleo.

n1 = índice de refração no núcleo
n2 = índice de refração da casca

Os núcleos da fibra podem ser em plástico ou vidro, assim como a casca. Fibras mais usadas hoje possuem um núcleo de vidro de sílica com casca do mesmo material; contudo, tem sido utilizadas fibras plásticas para lances de pequena distância ( até 76m ) .
As características das fibras variam dependendo do material usado e do processo de fabricação. Os parâmetros são especificados como atenuação, largura de banda, abertura numérica ( N.A ), dimensões do núcleo e casca, comprimento de onda e fatores ambientais.

Como já vimos, as fibras ópticas obedecem aos princípios físicos da propagação da luz. Sob a óptica da teoria simplificada, sem nos envolvermos nos princípios de propagação eletromagnética, podemos dar um tratamento geométrico para entendermos o funcionamento dos guias de luz.

REFRAÇÃO

Flexão de um raio de luz em propagação entre dois materiais com índices de refração diferentes . Na refração, o raio de luz ao passar de um meio com índice de refração n1 para um índice de refração n2, sofre alteração na sua trajetória.

Obs.: Vários feixes de luz são refratados para fora do núcleo da fibra, principalmente nas curvaturas, causando perda do sinal transmitido.

REFLEXÃO

Mudança da direção de um raio de luz na interface entre dois meios com índices de refração diferentes, tal que o raio luminoso retorna ao meio de onde veio. Um bom exemplo é o espelho. Mais plana a superfície, maior a reflexão.

RETRO-ESPALHAMENTO

Em fibras ópticas, ocorre um fenômeno conhecido como Retro- Espalhamento de Rayleigh. É causado por partículas indissolvidas, rusticidade de acabamento e perdas intrínsecas do material. O Refletômetro Óptico de Domínio no Tempo ( OTDR ) mede esta luz refletida e a exibe como medida da atenuação

Obs: Muitas das deformações encontradas na fibra, são causadas por stress do cabo, emendas e imperfeições do núcleo na sua fabricação.

Podemos observar que o ângulo de incidência de um feixe de luz no núcleo, é diferente ângulo de reflexão, quando este encontra com uma superfície com imperfeição.

.

1- Vidro( Sílica)

A. Fibras monomodo índice degrau
B. Multimodo índice gradual
C. Multimodo índice degrau

2- Sílica com Casca Plástica( PCS ) - Fibras de Índice Degrau

3- Plástica - Fibras Índice Degrau

Características

1.A Fibras Monomodo Índice Degrau

A. Aplicações para grande largura de banda (350 Ghz-1991)
B. Baixas perdas: tipicamente 0,3 dB/km até 0,5 dB/Km ( 1300 nm), e 0,2 dB/km ( 1550 nm)
C. Área do diâmetro do Campo modal de 10 mícrons
D. Diâmetro Externo de Revestimento de 125 mícron
E. Custos superiores para conectores, emendas, equipamentos de teste e transmissores/ receptores
F. Transmite um modo ou caminho de luz
G. Transmite em comprimento de onda de 1300 e 1550 nm
H . Fabricada em comprimento de até 25Km
I . Sensível a dobras (curvaturas).

1B. Fibras Multimodo Índice Gradual

A. Largura de Banda da ordem de1500 Mhz-Km
B. Perdas de 1 a 6 dB/Km
C. Núcleos de 50/ 62/ 85/ 100 mícrons (Padrões CCITT)
D. Diâmetro Externo do Revestimento de 125 e 140 mícrons
E. É eficaz com fontes de laser e LED
F. Componentes, equipamentos de teste e transmissores/ receptores de baixo custo
G. Transmite muitos modos (500+-) ou caminhos de luz, admite muitos modos de propagação
H. Possui limitação de distância devido às altas perdas e dispersão modal.
I. Transmite à 820-850 e 1300 nm.
J. Fabricadas em comprimentos até 2,2 Km

µM = micrometro
1.000.000 uM = 1 metro

Basicamente temos dois tipos de emendas utilizados na junção de cabos ópticos :
 

1. Emenda Mecânica
2. Emenda por Fusão

Emenda Mecânica : Este tipo de emenda é muito utilizado nos Estados Unidos, pela AT&T. No Brasil, encontra muita aplicação no reparo emergencial de cabos ópticos . Consiste na utilização de conectores mecânicos , com a utilização de cola e polimento. Alguns tipos não se baseiam no polimento, devendo neste caso as fibras serem muito bem clivadas .

Emenda por fusão: este tipo de emenda é a das mais importantes e a mais utilizada atualmente. As duas extremidades a serem unidas são aquecidas até o ponto de fusão, enquanto uma pressão axial adequada é aplicada no sentido de unir as partes. Importante deixar ambas as extremidades separadas por uma distância de 10 a 15um, para permitir a dilatação do vidro.

obs: Na prática tem-se conseguido atenuação em torno de 0.05 dB .

Emenda

Proteção da Emenda

Para proteger a emenda por fusão é utilizado o protetor de emenda , que deve prover proteção mecânica e contra a penetração de umidade O protetor de emenda é composto por três elementos básicos :

Tubo externo Termocontrátil
Tubo interno
Elemento de sustentação mecânica.

Obs: Para se fazer uma boa emenda é fundamental uma boa clivagem e limpeza da fibra, além do bom ajuste da máquina de emenda.

Os conectores ópticos, como o próprio nome diz, tem a função de conectar a fibra óptica ao componente ópticos dos equipamentos, ou seja, Emissor de Luz ( LASER ou LED) e Fotodetetor. É um componente de extrema importância na rede, sendo que mau utilizado pode comprometer a confiabilidade do sistema.
Os conectores ópticos utilizados nos sistemas de Telecomunicações são montados em laboratórios apropriados, devendo ser avaliados com relação à sua perda por inserção (dB).

O processo de montagem de um conector consiste de :

1 - Preparação do cabo
2 - Montagem do conector
3 - Cura da resina
4 - Polimento
5 - Testes ópticos

Fatores que causam atenuação alta no conector , com relação á qualidade da face :

- Excesso de cola na núcleo do conector
- Fibra quebrada ou trincada
- Riscos na face do conector
- Falta de polimento p/ remover impurezas na face.
- Sujeira

As perdas extrínsecas são decorrentes de erros, tolerâncias ou defeitos mecânicos dos dispositivos usados na emenda, independente da geometria ou das características da fibra óptica. Citam-se causas mais importantes a separação e o desalinhamento nas extremidades a serem acopladas, a qualidade das duas superfícies, no que se refere a rugosidade, ângulo de clivagem, etc.

  TESTES ÓPTICOS

Para a avaliação da qualidade de uma rede óptica, são utilizados dois equipamentos para avaliação do nível de sinal transmitido e recebido :

1 - Optical Power Meter
2 - OTDR - Optical Time Domain Reflectometer

 

OPTICAL POWER METER

O Optical Power Meter, ou medidor de potência óptica, tem a finalidade de medir o nível de sinal óptico emitido ou recebido. Este sinal é medido em microWatts, ou dBm.

 

REFLETÔMETRO ÓPTICO NO DOMÍNIO DO TEMPO - OTDR

Este equipamento é utilizado para avaliar o estado da fibra óptica e das emendas. Através da curva apresentada pelo equipamento podemos avaliar :

Atenuação da fibra óptica em todo o enlace
Qualidade das emendas existentes
Comprimento do enlace

O sinal retroespalhado decresce exponencialmente com o tempo e sua amplitude é proporcional à potência do pulso. Se no trecho sob teste houver qualquer tipo de defeito que não cause reflexão, este pode ser detectado por intermédio de uma variação brusca no nível do sinal retroespalhado.Uma maior ou menor inclinação no gráfico indicará maior ou menor fator de atenuação no trecho considerado.

As perdas que ocorrem nos defeitos localizados, nos conectores e nas emendas podem ser encontrados pela diferença (em dB) entre o retroespalhamento antes e depois do ponto em que ocorreu a descontinuidade.

Infelizmente, nem sempre a perda medida em um sentido é a mesma medida no outro sentido. Isto ocorre por causa de pequenas diferenças de diâmetro do núcleo de um lado e do outro da fibra. Devido a este fato, para uma melhor análise efetua-se a medida nas duas extremidades da fibra óptica e tira-se a média.

 

TELA OTDR Curva de Resposta de uma fibra em análise Exemplo 1 - Fibra com problema  

A= 0.036 Km B= 0.170 Km A B= 0.134 Km IND: 1.4790 l : 850 nm PT < -> PT ATEN: 14.43 dB dB/km: 45.7

Não está havendo acoplamento de conector / módulo OTDR.

As possíveis causas são:
- Conector sujo.
- Fibra quebrada na extremidade.

Exemplo 2 - Boa qualidade A= 0.055 B= 0.355 A B= 0.300 PT <- > PT ATEN: 1.23 dB IND: 1.4790 l : 850 nm db/km: 3.85 Curva de resposta aceitável

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  ELEMENTOS DE UMA REDE ÓPTICA E CÁLCULO DE ENLACES

Equipamentos e acessórios : Em uma rede típica de comunicação via fibra óptica, temos os seguintes componentes envolvidos :

Transmissor/receptor - Responsável pela transformação do sinal elétrico em sinal de luz e vice versa.
Cabo óptico : Composto pelas fibras ópticas e encapsulamento necessário para proteção das fibras,
Bastidor BEO/DIO - Aloja as emendas na chegada do cabo óptico à estação e possibilita a distribuição das fibras para os diversos equipamentos existentes.
Caixa de emenda - Aloja as emendas dos cabos ao longo do enlace.
Conectores ópticos - Fazem a ligação das fibras com os equipamentos.

Estes elementos da rede introduzem perdas que limitam as distâncias dos enlaces. Desta forma, é importante o conceito do cálculo de enlace para uma avaliação prévia .
Para podermos elaborar um cálculo de enlace óptico, é necessário conhecermos os equipamentos e acessórios que irão compor este enlace.
Na figura abaixo, temos um enlace óptico típico.

Para o cálculo de um enlace óptico devemos conhecer :

1 - Parâmetros do sistema de transmissão :

1.1 - Potência óptica de saída do emissor ( LASER ou LED)
1.2 - Sensibilidade mínima do detetor
1.3 Margem de sistema : Utilizada devido à degradação dos componentes . Normalmente 4 dB

2 - Parâmetros dos elementos da rede :

2.1 - Cabo óptico : Atenuação Em dB/km -
Cabo Multimodo = 3,5 dB/km
Cabo Monomodo = 0,36 dB/km (1300nm) , 0,20dB/km (1550 nm)
2.2 - Perdas nos conectores : Norma Telebrás - Max 0,5 dB
2.3 - Perda nas emendas : Norma Telebrás - Max 0,1 dB

2.4.2 - Exemplo :
Projeto de um enlace óptico genérico :

2.4.2.1 - Parâmetros :
Potência óptica - P0 : LASER LP - 1300 nm - 11 dbm
Sensibilidade do receptor - Sm : - 6 a - 43 dBm
Atenuação do cabo óptico - At: 0,36 dB/km(1300)
Atenuação nos conectores - Ac: 0,5 dB
Perda nas emendas - Ae: 0,1
Comprimento dos lances - l : 3 km
Margem de sistema - MS : 4 dB

Qual a distância máxima para um enlace com os parâmetros acima definidos ?

1 - Margem de potência entre emissor e detetor
MP = P0 - Sm = 32 dB

2 - Perda nos conectores ópticos :
Do diagrama acima, podemos ver que o total de conexões envolvido no enlace é de 4. Assim, a perda total é :
Ac = 4 x 0,5 = 2 dB

3 - Margem de Sistema = 4dB. Devemos descontar este valor da margem de potência, bem como a perda nas conexões. Assim, a margem disponível é igual a 32 - 4 - 2 = 26 dB. Com este valor, podemos agora calcular a máxima distância permissível para o enlace.do total Considerando que o comprimento do lance é de 3 km, devemos calcular também a perda de n emendas ao longo do enlace. Assim, o comprimento máximo é :
26 = 0,36Xdmax + 0,1*Dmax/3 = Dmax(0,36+0,1/3)
Dmax = 26/(0,36 + 0,1/3)
Dmax = 66,1 Km
Para o LASER LP não há a necessidade do uso de atenuadores ópticos para enlaces curtos, uma vez que a Sensibilidade máxima do receptor é de -6 dBm, superior à potência mínima emitida pelo LASER.
Tal providência poderá ser necessária quando utilizarmos LASER de Alta potência.

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