A fibra óptica consiste no meio de transmissão guiado mais avançado em termos de taxas de transmissão de dados por segundo. O princípio utilizado neste meio de transmissão consiste em transmitir pulsos de luz para representar bits. Como você já deve ter ouvido em algum momento, a velocidade da luz é uma das coisas mais rápidas que a humanidade conhece. Apesar dessa grandeza física ser muito impressionante, provavelmente em algum momento você escutou que até o mo- mento a humanidade ainda não desenvolveu métodos muito aprimorados para dominar tecnologias que operam na velocidade da luz. Isso também ocorre com a transmissão de dados por meio da fibra óptica. Estima-se que o limite máximo de taxa de transmissão de dados por meio de uma fibra óptica pode ultrapassar a casa dos 50.000 Gbps (50 Tbps), algo surpreendente. No entanto, atualmente as tecnologias existentes nos permitem um limite prático de 100 Gbps, algo ainda muito aquém do potencial deste meio de transmissão. Como o limite alcançado ainda se torna muito interessante quando comparado com a taxa de transmissão por meio de fios de cobre e além disso existe um potencial muito grande a ser ex- plorado, o investimento em fibra óptica se tornou muito promissor para as com- panhias responsáveis por prestar serviços de Internet e muito investimento vêm sendo realizado nessa área.
Os cabos de fibra óptica se assemelham muito aos cabos coaxiais em termos de sua estrutura. A principal diferença entre eles encontra-se na utilização da ma- lha metálica. Um cabo de fibra óptica compreende os seguintes componentes, uma capa protetora, uma casca ou revestimento interno e o núcleo. A Figura 45 ilustra a relação entre os componentes do cabo de fibra óptica. A capa protetora normalmente é construída com plástico, tal como no cabo coaxial e possui a fun- ção de realizar um isolamento externo inicial. A casca ou revestimento interno é
ATENção: as principais vantagens consistem na alta taxa de transferência de arquivos, no baixo custo de aquisição, na manutenção barata e na flexibilidade do cabo para passar por paredes.
1
sAiBA mAis: apenas por curiosidade, o seu valor exato da velocidade da luz é 299.792.458 metros por segundos ou 300.000 km/s.
licenciatura em computação|Redes de Computadores · 75 fabricada em vidro e oferece uma proteção adicional aquela proporcionada pela capa. O núcleo localizado no centro do cabo também é fabricado em vidro, sendo responsável por propagar os pulsos de luz que representam bits enviados.
FigUrA 45 – Estrutura do Cabo de Fibra Óptica
FoNTE: Adaptado de Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o- -que-sao-fibras-opticas.htm
O diâmetro do núcleo de um cabo de fibra óptica varia de acordo com o modo como os raios de luz ricocheteiam em diferentes ângulos. Quando um raio de luz passa de um emissor para um receptor através da fibra, o raio é refratado (incli- nado), como ilustrado na Figura 46, o núcleo da fibra. Esse processo envolve a definição de ângulos que determinam como o sinal ricocheteia nas extremidades da fibra até alcançar o destino. A forma como esse ângulo é definido nos ajuda a classificar os modos de transmissão na fibra óptica e refletirá no diâmetro do nú- cleo. Ao todo existem dois principais tipos de fibras, a multimodo e modo único. Na fibra multimodo existem raios de luz distintos, cada um ricocheteando em ân- gulos diferentes e o diâmetro do núcleo compreende 50 micra. Nesses casos, cada raio de luz pode ter sido gerado por um usuário diferente, auxiliando no compar- tilhamento do meio de transmissão entre os usuários de uma rede. Na fibra de modo único, também conhecida como mono modo, a luz é propagada em linha reta, sem ricochetear e o diâmetro do núcleo possui entre 8 e 10 micra. Nesta situ- ação, a fibra fica alocada exclusivamente para representar os sinais de um único emissor, o que acarreta em um custo financeiro maior quando comparado com a fibra multimodo. Comparando o diâmetro destes dois tipos de fibras, a fibra de modo único é significativamente menor do que a multimodo.
ATENção: os cabos coaxiais possuem a malha metálica, enquanto que o cabo de fibra óptica não.
1
ATENção: a fibra de modo único é normalmente utilizada para conectar pontos da rede distantes em até 100 km de distância.
76 ·
FigUrA 46 – Exemplo de Propagação da Luz na Fibra Óptica
FoNTE: Adaptado de Teltec. Disponível em: https://telteq.wordpress.com/2014/12/23/principio-de- -funcionamento-e-tipos-de-fibra-optica/
Uma vez entendidos os componentes do cabo de fibra óptica, nos concentrare- mos na sua disposição física de instalação. Geralmente, os cabos de fibra óptica são enterrados aproximadamente a um metro da superfície. Nessas condições, ocasionalmente as fibras ópticas são rompidas por tratores ou retroescavadeiras. Em regiões litorâneas, os cabos de fibra óptica transoceânicos são enterrados em trincheiras. Quando passam pelo alto mar, normalmente quando as fibras ópticas são usadas para interconectar diferentes países, os cabos são dispostos no fundo do oceano para evitar de serem capturados por redes de pesca.
Outro aspecto importante das fibras ópticas consiste em como elas são conec- tadas. Existem três principais modos de conexões. No primeiro caso, as fibras po- dem possuir conectores nas extremidades do cabo e são plugadas em soquetes de fibra. A segunda forma de conexão compreende a união mecânica da fibra. Nesse caso, as extremidades são conectadas por meio de uma luva especial e um alinhamento cuidadoso pode ser realizado para maximizar a passagem do sinal. O terceiro modo de conexão compreende a fusão das extremidades. Usando a fusão proporciona um resultado muito semelhante a uma fibra sem emendas, todavia, existe uma pequena atenuação no sinal transmitido, mas mesmo assim este tipo de conexão se destaca em relação aos demais.
Mesmo considerando que fusão de fibras consiste em uma boa estratégia de conexão, ela apresenta um ponto negativo relacionado com o seu alto custo e di- ficuldade de instalação. Em virtude disto, existem muitos modelos de conectores disponíveis no mercado. Os principais conectores são, o ST, o SC, o FC, o FDDI, o LC e o MTRJ. A Figura 47 ilustra esses conectores.
ATENção: o uso de conectores ocasiona uma perda de dez a vinte por cento da luz, no entanto essa perda é compensada pelo ganho na facilidade de instalação.
Usando a união mecânica, existe uma perda de dez por cento da luz propagada.
licenciatura em computação|Redes de Computadores · 77 FigUrA 47 – Tipos de Conectores de Fibra Ópticas
FoNTE: Ricardo Silva e Marcos Paiva. Disponível em: https://rsilva1inf.wordpress.com/cabos-de-fi- bra-optica-2/
Na Figura 47 são apresentados os conectores ST, SC, FC, FDDI, LC e MTRJ. Os conec- tores ST (Straight Tip) podem ser utilizados em fibras de modo único ou multimo- do. O exterior deste conector compreende um elemento metálico com um siste- ma de fixação do tipo baioneta. Os conectores SC (Standard Connector) também podem ser empregados em fibras de modo único ou multimodo. O exterior do co- nector SC é fabricado em plástico com um sistema de fixação do tipo PUSH/PULL. Os conectores FC (Fiber Connector) são normalmente utilizados em ambientes de alta vibração onde se necessita de uma conexão segura. Esses conectores também operam em fibras de modo único e multimodo. O conector FDDI (Fiber Distri- buted Data Interface Connector) provê uma taxa de transmissão de dados de 100 Mpbs em uma LAN token ring com uma faixa de 200 Km. O conector LC (Lucent Connector), popularmente referenciado como (Little Connector, ou conector pe- queno), possui como principal característica o pequeno tamanho do seu arco de metal interno, o qual compreende apenas 1,25 milímetros. Existem três diferentes tipos de LC, sendo que dois deles são projetados para fibras de modo único e um para multimodo. O MTRJ (Mechanical Transfer Registered Jack) consiste em um conector muito popular para conectar duas fibras usando plugs.
Agora que conhecemos os tipos de conectores de um cabo de fibra óptica, nos concentraremos nas interfaces que suportam esses conectores. Diferentemente do que ocorre com os cabos de par trançado, normalmente os cabos de fibra óp- tica não são conectados diretamente nos computadores. Para realizar esta tarefa, geralmente os sinais da fibra são convertidos para o padrão do RJ45, de forma que um cabo de par trançado possa ser levado até o cliente. Neste caso, entram em cena os conectores SC e um conversor para portas RJ45. A Figura 48 ilustra um conversor de sinal de fibra óptica para oito portas RJ45 por meio de conectores SC. Outra necessidade ocasionada com a utilização de cabos de fibra óptica consistiu em formas de transferir dados por meio de portas USB. Esse tipo de necessidade vem de encontro com sistemas específicos de armazenamentos de dados. A Fi- gura 49 ilustra um destes dispositivos usando um conector LC. A transmissão de
78 ·
streaming de áudio sob cabos de fibra óptica também se mostrou necessário e fo- ram desenvolvidos dispositivos para atender essa necessidade. A Figura 50 mostra um conversor de áudio RCA para fibra óptica usando conectores ST. No caso dos conectores FC e MTRJ são normalmente utilizados para interconectar um cabo de fibra óptica usando apenas plugs machos e fêmeas, dispensando um conversor com uma interface específica.
FigUrA 48 – Conversor Fibra Óptica para 8 Portas RJ45 com Conector SC
FoNTE: Aliexpress. Disponível em: goo.gl/tqcbCJ
FigUrA 49 – Transmissor de Sinais USB para Fibra Óptica via Conector LC
FoNTE: AD net Technology. Disponível em: http://www.ad-net.com.tw/16-types-fiber-optic-connec- tors-choose/
FigUrA 50 – Conversor de Áudio RCA para Fibra Óptica com Conector ST
FoNTE: AD-net Technology. Disponível em: http://www.ad-net.com.tw/16-types-fiber-optic-connec- tors-choose/
ATENção: foram desenvolvidos dispositivos customizados para converter dados de uma interface UsB diretamente para a fibra óptica para suprir a necessidade de armazenamento.
licenciatura em computação|Redes de Computadores · 79 Um sistema de fibra óptica compreende três principais elementos-chave, a fon- te de luz, o meio de transmissão e o detector. Até esse momento já analisamos muitos aspectos referentes ao meio de transmissão, mas pouca atenção foi dada a fonte de luz e ao detector. Portanto, focaremos agora nestes dois elementos. A aplicação da fonte de luz consiste na essência da transmissão por fibra óptica. É através dela que os bits são representados. Por meio deste sistema, o emissor gera um sinal elétrico, o qual é convertido e transmitido por pulsos de luz. Ao chegar na origem, o sistema realiza o processo inverso, ou seja, os pulsos de luz são con- vertidos em um sinal elétrico para ser encaminhado ao receptor.
Existem dois tipos de fontes de luz que são normalmente usadas no processo de sinalização, os diodos emissores de luz (light emitting diodes – LEDs) e os lasers semicondutores. Essas fontes de luz possuem diferentes propriedades. A Tabela 2 descreve uma comparação entre ambas as fontes de luz. Entre a fonte e a fibra, o comprimento da onda pode ser ajustada ao empregar interferômetros, tais como o de Fabry-Perot ou de Mach-Zehnder. Os interferômetros de Fabry-Perot com- preendem em cavidades ressonantes que atuam como dois espelhos paralelos. Ao usar este dispositivo, a luz incide perpendicularmente aos espelhos. Os interferô- metros de Mach-Zehnder operam separando a luz em dois feixes, de modo que cada um percorra distâncias diferentes e sejam recombinados no destino.
TABElA 2 – Comparação das Fontes de Luz LED e Semicondutor
FoNTE: Tanenbaum (2011).
Na extremidade de recepção da fibra óptica existe um fotodiodo responsável por emitir um pulso elétrico sempre que atingido pela luz. Este componente converte o sinal óptico para um sinal elétrico em taxas de dados de cerca de 100 Gbps. Con- siderando a transmissão por meio de cabos de fibra óptica, pode ocorrer ruídos térmicos e também precisam ser tratados para garantir que a energia de um pulso seja forte o suficiente para ser detectado na extremidade de destino.
A transmissão através de cabos de fibra óptica apresenta vantagens e desvan- ATENção: a função do detector consiste em gerar um pulso elétrico quando a luz incide sobre ele. Ao conectar um detector em uma extremidade da fibra óptica e na outra extremidade uma fonte de luz, temos um sistema de transmissão de dados unidirecional.