Conceitos Básicos de Fibra Óptica (Módulo I)
Este tutorial apresenta um histórico sobre o desenvolvimento da fibra óptica e conceitos básicos sobre a reflexão da luz. É o primeiro de uma série contendo conceitos básicos de fibra óptica a ser preparada pelo autor especialmente para o Teleco, composta dos seguintes módulos:
I Reflexão da Luz em superfícies II Refração e confinamento da Luz III Perdas e tipos de fibra óptica IV Cabos e redes Ópticas
Este conjunto de módulos é uma versão revista e ampliada de um tutorial preparado anteriormente pelo autor para o Teleco.
Luiz Felipe de Camargo Fernandes
Engenheiro Eletrônico (FEI 73), Mestre em Telecomunicações (FEI 86), atuando á mais de 20 anos somente em Telecomunicações, com enfoque em Sistemas Ópticos, Redes tipo LAN, Acesso, MAN, WAN e, Proteção.
Cursos na Alemanha, USA, Japão, Espanha, Inglaterra.
Especialista em Sistemas Ópticos, com várias publicações; participa como Chairman e Palestrante de Seminários, promovidos pelo IBC, Sala 21 de São Paulo, IIR, TELEXPO, etc,
Recentemente elaborou todas as especificações e realizou testes completos em equipamentos DWDM, no Brasil, Argentina, Suécia, França, Alemanha e Áustria.
Gerente na ERICSSON, TELESP/TELEFONICA, nesta ultima, atuado em projetos como: Rede de Acesso Rápido á Internet (Speed), Rede ATM, Rede L.D., Redes Ópticas e ASON.
Em 2001 deixou a TELEFONICA, para fundar a TELECOMM CONSULTING S/C LTDA.
A partir de agora, integra a equipe do Teleco para contribuir na área de Sistemas de Telecomunicações Fotônicos.
E-mail: telecomm@uol.com.br e DWDM@uol.com.br
Fibra Óptica I: Histórico
O termo Fibra Óptica foi empregado pela primeira vez em 1.956, pelo Dr. N. S. Kapany que fazia parte de uma equipe do Laboratório Bell (USA), composta por ele e pelos Doutores, A. L. Schawlow e C. H. Townes, quando apresentaram os planos para a construção do primeiro LASER, a ser usado em Sistemas de Telecomunicações.
1961 O Dr. Elias Snitzer, da Americal Optical (USA), divulgou um trabalho explicando como seria a Fibra Óptica, embora naquela época, não se tivesse a tecnologia para fabricá-la.
1964 Os Doutores Charles Kuen Kao e G. A. Hockham, do Laboratório da Standard Telecommunications – ITT (UK), enviaram a British Association for the Advancement of Science uma especificação de requisitos necessários para uma que Fibra Óptica pudesse ser usada como um guia de ondas em Redes de Telecomunicações de Longa Distancia, ao invés de cabos metálicos.
Nesta especificação, para que uma Fibra Óptica pudesse ser usada com êxito, a perda ou atenuação da luz que se propagava, devia ser no mínimo da ordem de 20 dB por km (decibéis por kilometro). Nesta época as perdas nas Fibras Ópticas então disponíveis, eram da ordem de 1.000 dB / km.
Os Drs. Kao e Hockham também preconizaram a necessidade de se ter um vidro de altíssima pureza na fabricação da Fibra Óptica como forma de reduzir as perdas ou atenuação da luz propagante.
1970 Uma equipe da Corning Glass Works (USA), constituída por Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, conseguiu atender a especificação de requisitos apresentada pelos Drs. Kao e Hockham; fabricando uma Fibra Óptica com atenuação da ordem de 20 dB por km e a patentearam (Patent # 3.711.262) chamando-a de Guia de Fibra Óptica (Optical Waveguide Fiber).
1972 A Corning já conseguia fabricar, em pequena escala, para testes em laboratório, Fibras Ópticas com atenuações da ordem de 4 dB por km. Hoje em dia as atenuações das Fibras Ópticas, dependendo dos comprimentos de onda utilizados, situam-se entre 0,2 e 0,4 dB por km.
1975 Com este desenvolvimento, tornaram-se possíveis Sistemas de Telecomunicações Ópticos e assim em 1.975 foi instalado para a Polícia de Dorset, na Inglaterra, o primeiro link de Fibra Óptica, operando comercialmente. A escolha de um link de Fibra Óptica deveu-se ao fato que um raio tinha anteriormente danificado todo o Sistema de Telecomunicações do Departamento Policial e pesou na escolha deste sistema o fato de que a Fibra Óptica é imune a descargas elétricas e interferências elétricas. Neste mesmo ano o Governo Americano interligou com Fibras Ópticas a Rede Local do Sistema NORAD (Sistema de Defesa) localizados no interior da Montanha Cheyenne.
1976 Foi implantado pela Western Electric em Atlanta, um link de Fibra Óptica com extensão de 2,5 km, para voz, dados e imagens, á uma taxa de 44,7 Mb/s (Megabits por segundo).
1977 Foi instalado pela Bell, no centro de Chicago, utilizando um cabo multi fibras, a primeira Rede Óptica de uma Empresa de Telecomunicações. Tinha a capacidade de transportar 54 Mb/s e a distância entre os Centros Telefônicos era de 2,6 km. Neste mesmo ano foi instalado pela General Telephone and Electronics um Sistema Óptico de 6 Mb/s em Long Beach, Califórnia. 1980 O Sistema Bell inaugura em 1980 a primeira Rede Óptica Nacional, interligando a Capital
Washington á cidade de Cambridge, no estado de Massachusetts.
do Cabo Óptico Submarino TAT – 8, usando Laser de 1,3 micrômetros em Fibra Monomodo. 1991 No início de 1.991, a NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) no Japão,
demonstrou a transmissão de Solitons, através de um milhão de kilometros de Fibra Óptica. 2002 Mais de trinta anos se passaram, desde a fabricação da primeira Fibra Óptica, e hoje mais de 80
% de todo tráfego do mundo, é escoado através de Fibras Ópticas, sendo a sua utilização cada vez maior.
Fibra Óptica I: Fibra Óptica e Luz
Fibra Óptica
A Fibra Óptica vem a ser um meio físico de transmissão, cada vez mais utilizado em Redes de Telecomunicações que, quando conectada a equipamentos adequados, permite trafegar voz, dados e imagens, a altas taxas, com velocidades muito próximas a velocidade da luz.
Assim sendo, o emprego de Cabos de Fibra Óptica, aonde circula luz, na forma de fótons, é cada vez mais freqüente e vem substituindo os chamados Cabos Metálicos, como os Cabos de Pares, Cabos de Tubos Coaxiais e, outros, aonde circula eletricidade na forma de elétrons.
Na Fibra Óptica a luz é confinada em um filamento cilíndrico muito longo, de diâmetro extremamente pequeno, o qual é predominantemente feito de vidro de sílica com alto grau de pureza ou, para algumas aplicações, é feito de plástico especial.
Luz
A Energia Eletromagnética pode se apresentar das formas mais diversas. A luz é uma delas.
A Luz é constituída por fótons, que viajam, no vácuo absoluto, a uma Velocidade no vácuo (Cvac ) de 2,997925 x 108 m/s (metros por segundo).
Define-se como Comprimento de Onda (lambda), cuja unidade, será definida por nós como nm ao produto da Velocidade (Cvac) pelo inverso da Freqüência (f) cuja unidade, será definida como GHz, segundo a equação abaixo: Velocidade da Luz _________________ Comprimento de onda = Frequência ou lambda = c /f ou lambda (nm) = 2,997925 x108 (m/s) /f (GHz)
Fibra Óptica I: Espectro Eletromagnético Tabela 1
A Tabela 1 nos mostra o Espectro Eletromagnético e, a Tabela 2 dá ênfase na Região da Radiação Luminosa. As fontes de luz utilizadas nas Fibras Ópticas possuem comprimentos de onda, acima de 850 nm, ou seja, na Região de Radiação Infravermelha, que é invisível ao olho humano.
No início do desenvolvimento dos Sistemas Ópticos, para Fibras Ópticas feitas de vidro de sílica, foram usados como fonte de luz, dispositivos LED (Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz), operando com comprimentos de onda no entorno de 850 nm e posteriormente, com o advento dos dispositivos LASERS (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation), além deste comprimento de onda, foram estes dispositivos inicialmente fabricados no entorno de 1 310 nm como é mostrado na Figura e, posteriormente 1 550 nm. 1022 Raios Cósmicos 1021 ZHz 1020 Raios Gama 1018 EHz Raios X 1016 Luz Ultravioleta 1015 PHz 1014 Luz Visível 1012 THz Luz Infravermelha 1010 Radar 109 GHz 108 FM e TV 107 Ondas Curtas 106 MHz AM
Estes entornos aos comprimentos de Onda de 850, 1300 e de 1500 nm são denominados de Janelas de Transmissão.
O leitor deve atentar na Figura que a Potência Óptica da Radiação Luminosa de um LASER é muitas vezes superior a de um LED e, também que a Largura Espectral, de um LASER do tipo ILD (Injection LASER Diode) é aproximadamente de 1 a 3nm e, de um LED é da ordem de 30 a 50 nanômetros .
Fibra Óptica I: Reflexão da Luz
Luz Incidente
Se a Fonte de Luz se situar muito distante, como se estivesse no infinito, prova-se que estes Raios de Luz propagam-se de forma paralela, como é esboçado na Figura ao lado. Vamos considerar uma Superfície Plana e Regular, onde um Raio de Luz irá incidir sobre a mesma.Este Raio será denominado: Luz Incidente (Figuras abaixo). Esta Luz Incidente pode ter Polarização, com componentes Paralelos e, também Perpendiculares a esta superfície. Reflexão da Luz
Quando um Raio de Luz incidente atinge uma superfície, este Raio de Luz poderá sofrer um desvio.
Este fenômeno é denominado de Reflexão e, é ilustrado na Figura abaixo, onde se nota um Raio de Luz que está como se saísse da superfície.
Ângulo de Incidência
O Ângulo pelo qual o Raio de Luz incide á superfície, que pode ou não apresentar o fenômeno da Reflexão da Luz, é chamado de Ângulo de Incidência (OI) .
O Ângulo de Incidência OI é medido a partir de uma linha imaginária, perpendicular ao plano da superfície, chamada de Normal, que refletiu o Raio de Luz, conforme podemos ver na Figura abaixo.
Ângulo de Reflexão
Define-se o Ângulo de Reflexão (Or) sendo o ângulo formado a partir de uma linha imaginária, perpendicular ao plano da superfície e o Raio de Luz, que foi refletido conforme podemos ver na Figura.
Note se que o Ângulo de Incidência (Oi) do Raio de Luz Incidente é igual ao do Ângulo de Reflexão (Or), do Raio de Luz Refletido, conforme esta indicado na Figura abaixo.
Fibra Óptica I: Reflexões em Superfícies Regulares
Quando uma Fonte de Luz, situada no infinito emite múltiplos Raios de Luz, cada um destes Raios de Luz, tem um comportamento individual, totalmente independente dos demais.
Se observarmos a Figura veremos múltiplos Raios de Luz, incidindo sobre uma superfície e, para diferenciá-los, somente para fins didáticos, cada um deles foi desenhado de cor diferente.
Portanto, na Figura é mostrado que quando estes Raios de Luz atingem uma Superfície Regular, isto é, plana sem rugosidades, como a Superfície de um Espelho Plano, estes sofrem uma Reflexão como já descrita, com os Ângulos de Incidência (Oi) de cada um destes Raio de Luz Incidentes e Paralelos, sendo iguais a cada um dos Ângulo de Reflexão (Or), dos Raios de Luz Refletidos.
Este tipo de Reflexão é chamado de Reflexão Múltipla Regular ou Reflexão Especular.
Assume-se neste caso que, a Reflexão neste Espelho Plano seja total, o que significa que todos os Raios de Luz Incidentes são Refletidos. Caso este Espelho Plano não refletisse cem por cento destes Raios de Luz, alguns destes Raios seriam absorvidos ou passariam através dele.
A título de curiosidade, muitos pesquisadores e cientistas afirmavam, em passado recente, que um Espelho que refletisse toda luz incidente, era uma abstração teórica e que na pratica tal coisa não era possível.
Entretanto em 1.998 cientistas, provaram que isto era possível e, fizeram o espelho ideal ou perfeito, empilhando alternadamente camadas microscópicas de Telúrio (Elemento puro da Natureza, que se encontra na Tabela Periódica dos Elementos) e Poliestireno (tipo Especial de Plástico).
Fibra Óptica I: Reflexões em Superfícies Irregulares
Quando repetimos o procedimento descrito, mas ao invés de usarmos uma Superfície Regular, isto é, plana sem rugosidades, usarmos uma Superfície Irregular, como ilustra a Figura, observaremos que cada um dos Raios de Luz se comporta, de maneira independente e, embora todos possuam o mesmo ângulo de incidência, os ângulos de reflexão são totalmente distintos, ocorrendo a chamada Reflexão Irregular ou Difusa.
Este fenômeno pode ser normalmente observado quando a Luz atinge paredes e superfícies e, a Luz que se Reflete tem uma forma Difusa.
Reflexões em Superfícies Côncavas
Se a Superfície de Incidência dos Raios de Luz for Regular, mas não for Plana, podendo em um primeiro caso ser Côncava, como ilustra a Figura, os Raios de Luz Paralelos, incidindo sobre um, por exemplo, em um Espelho Côncavo, não são refletidos da mesma forma paralela, mas sim em forma de leque.
Reflexões em Superfícies Convexas
Caso a forma da superfície do espelho acima descrito, ao invés de Côncava fosse Convexa, os Raios de Luz Refletidos se apresentariam convergindo para um determinado ponto como mostra a Figura.
Meio Transparente
Meio Transparente é aquele no qual a Luz consegue se propagar sem dificuldades, como é ilustrado na Figura, onde vemos que os Raios de Luz conseguem facilmente atravessar este meio e, também conseguem manter o seu paralelismo. Meio Translúcido
Meio Translúcido é aquele, onde os Raios de Luz tem dificuldades para passar, podendo sofrer como mostra a Figura, alterações da trajetória dos Raios de Luz, bem como, sofrerem absorção por este meio.
Meio Opaco
Meio Opaco é aquele, onde os Raios de Luz não conseguem passar, como por exemplo, por uma parede de tijolos. A Figura dá uma idéia do exposto.
Fibra Óptica I: Teste seu Entendimento 1) Assinale a alternativa correta.
Em uma Fibra Óptica circulam Fótons.
A Velocidade da Luz não varia de acordo com o Meio.
As perdas em dB/Km, de um Cabo Coaxial, ou de um Guia de Ondas são muito mais baixas, quando comparadas com os de uma Fibra Óptica.
As Fibras Ópticas só podem ser feitas de Vidro de Sílica.
2) Assinale a alternativa correta.
Na Reflexão Difusa os Raios refletidos são Paralelos. A Reflexão não ocorre em uma Superfície Irregular.
Um Espelho Convexo serve para concentrar os Raios de Luz. A Reflexão Múltipla Regular é o inverso da Reflexão Especular. 3) Assinale a alternativa incorreta.
Um Espelho Côncavo pode Refletir todos os Raios de Luz Incidentes. Raios de Luz podem ser paralelos.
Em um Meio Translúcido, a Luz o atravessa normalmente. A Luz não se propaga em um Meio Opaco.
