Fibra óptica
• Quando ouvimos falar sobre comunicação óptica, logo associamos o assunto ao uso de fibra óptica.
• A comunicação utilizando fibra óptica é realizada através do envio de um sinal de luz codificado, dentro do domínio de frequência do infravermelho, 1012 a 1014 Hertz;
• A fibra óptica é um filamento de vidro transparente e com alto grau de pureza.
Fibra óptica
• A fibra óptica é um filamento de vidro transparente e
com alto grau de pureza.
http://www.clikeveja.com/wp-Fibra óptica
• É tão fino quanto um fio de cabelo, podendo
carregar milhares de informações digitais a longas
distâncias sem perdas significativas.
Fonte da imagem: http://lucianaweb.com/blog/beleza-e-saude/estrutura-capilar/ Fonte da imagem: http://www.hveragerdi.is/thumb/1600/i mages/sent/533eda8b7b2ea.jpg
Fibra óptica
• 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.
Fonte da imagem:
Aplicação
Fibra óptica
VANTAGENS
• perdas de transmissão baixa e banda passante grande
• pequeno tamanho e peso • imunidade a interferências • isolação elétrica
• segurança do sinal
• matéria-prima abundante
DESVANTAGENS
• dificuldade de conexões das fibras ópticas
• fragilidade das fibras ópticas • impossibilidade de
alimentação remota de repetidores
• não deve ser instalada em ambientes radioativos
Fibra óptica
• Os sistemas de comunicações baseados em fibra
ópticos utilizam lasers ou dispositivos emissores de
luz (LEDS).
Fonte da imagem:
http://laser-shop.cz/img/p/9/7/5/975-large.jpg
Fonte da imagem:
Fonte da imagem:
http://contembits.com.br/imagens/RaioX/Monitores/LED.jpg
Fonte da imagem:
a073.104d S
THE VISIBLE SPECTRUM
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Near Ultraviolet Visible Near Infrared
(Germicidal and Fluorescent Effects) Wavelength in Nanometers
"WHITE LIGHT"
1350 1400 1450 1500 1550 1600 First Window Third Window Second Window Violet Green Yellow Orange RedRevisão de ótica
geométrica
A natureza da luz
• A luz pode ser descrita como uma onda
eletromagnética, como as ondas de rádio, radar,
raios X, ou microondas, com valores de frequências e
comprimentos de onda (λ) distintos que variam de
400nm a 700nm, para luz visível.
Princípios básicos
Os princípios em que se baseia a Óptica
Geométrica são três:
– Propagação Retilínea da Luz
– Independência dos Raios de Luz
– Reversibilidade dos Raios de Luz
Princípios básicos
Propagação Retilínea da Luz:
Em um meio homogêneo e transparente a luz se
propaga em linha reta. Cada uma dessas "retas de luz"
é chamada de raio de luz.
Fonte da imagem:
Princípios básicos
Independência dos Raios de
Luz:
Quando dois raios de
luz se cruzam, um não
interfere na trajetória do
outro,
cada
um
se
comportando como se o
outro não existisse.
Fonte da imagem:
http://www.cescage.com.br/ead/adm/shared/fotos/196d1b38ef1bcd137a4 47049e7ad4694.jpg
Princípios básicos
Reversibilidade dos Raios de Luz:
Se revertermos o sentido de propagação de um
raio de luz ele continua a percorrer a mesma
trajetória, em sentido contrário.
Fonte da imagem:
http://www.babies.co.nz/ic/327988683/Safety%201st%20Baby%20View%20 Mirror.jpg
Meios ópticos
TRANSPARENTE TRANSLÚCIDO OPACO
Fonte da imagem: http://craft-stop.com/images/glass-vase.jpg Fonte da imagem: http://mlb-s1-p.mlstatic.com/13950-MLB196979953_3816-R.jpg Fonte da imagem: http://temperclub.com.br/images/img/jateado4.jpg
Propriedades Óticas do Meio
Ao incidir sobre uma superfície que separa dois meios
de propagação, a luz sofre algum, ou mais do que um,
dos fenômenos a seguir:
– Reflexão
– Refração
– Absorção
Reflexão
A luz que incide na superfície e retorna ao mesmo
meio, regularmente, ou seja, os raios incidentes e
refletidos
são paralelos. Ocorre em superfícies
metálicas bem polidas, como espelhos.
Fonte da imagem:
http://1.bp.blogspot.com/-2TiJ9VRl4c4/UbJp5xTZLLI/AAAAA AAAALM/vzCuUmfz0aw/s1600/8 f_15_02.jpg
Refração
É o fenômeno que ocorre com a luz ao passar de um
meio para outro, durante esta passagem o raio de luz
sofre alteração na sua velocidade e direção
Fonte da imagem:
http://www.sobiologia.com.br/figuras/ oitava_serie/refracao2.jpg
Refração
Fonte da imagem: http://images.slideplayer.com.br/1/526 21/slides/slide_3.jpg Fonte da imagem: http://www.geocities.ws/saladefisica8/optica/refr acao20.jpg Fonte da imagem: http://3.bp.blogspot.com/_AX0lXdomqV Y/Sy4YicmJgvI/AAAAAAAAABw/uHZrJqc dt9w/s200/refractus-lapis.jpgAbsorção
A luz incide na superfície, no entanto não é refletida e
nem refratada, sendo absorvida pelo corpo, e
aquecendo-o. Ocorre em corpos de superfície escura.
Leis de Snell
LEI DA REFLEXÃO
• O raio refletido está contido no plano de incidência,
e Ø1’ = Ø2’
(Reflexão)
Fonte da imagem:
Leis de Snell
LEI DA REFRAÇÃO
• O raio refratado está contido no plano de incidência,
e
θ1 θ2 Ângulo incidente Ângulo refratado AR (meio 1) ÁGUA (meio 2) n1 n2
Índice de refração
• É a relação que existe entre a velocidade da luz no
vácuo e a velocidade da luz no meio. Usado para
calcular a diferença entre o ângulo de incidência e o
ângulo de refração. Dado por:
n= c
v
Onde:
n= índice de refração
c= velocidade da luz no vácuo v= velocidade da luz no meio
₈
Índice de refração
Substância Índice de refração
Ar 1,00
Água 1,333
Álcool etílico 1,362
Acetona 1,357
Reflexão total
Na natureza, existem casos em que, dependendo
do ângulo de incidência e do meio pelo qual a luz está
vindo, não ocorre a refração, mas somente a reflexão.
Esse fenômeno é conhecido como reflexão total.
Ângulo crítico
Pôde-se observar que, a partir de determinado
ângulo de incidência, não há mais refração. Esse ângulo
é denominado ângulo limite ou ângulo crítico.
Calculado por:
Θc= sen
-1(n
Abertura Numérica (AN)
Define-se como o ângulo formado entre
um eixo imaginário E, localizado no centro de
uma Fibra Óptica, e um raio de luz incidente, de
tal forma que este consiga sofrer a primeira
reflexão, necessária para a luz se propagar ao
longo da Fibra
Casca
Cone de Aceitação Núcleo
AN= seno
máx=
𝒏
𝟏𝟐− 𝒏
𝟐𝟐
Exercício
1. Uma fibra óptica possui um núcleo com 50µm de diâmetro e índice de refração igual a 1,50. Sua casca tem um diâmetro de 125µm e índice de refração igual a 1,48. Determine o ângulo crítico entre o núcleo e a casca, a abertura numérica e o ângulo máximo de captação na face da fibra.
Resposta: AN= 14,13°
14,13°
Processos de fabricação
Fabricação das fibras ópticas
• Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico.
• As fibras ópticas fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações.
Fonte da imagem:
http://www.desiccantpacks.net/wp-content/uploads/2011/03/silica-gel-packets.jpg
Fabricação das fibras ópticas
• As fibras ópticas fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa largura de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação.
Fabricação de fibras de sílica pura
• Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra e a diferença entre eles está na etapa de fabricação da
pré-forma (bastão que contém todas as características da fibra
óptica, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda etapa de fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.
MCVD
• Consiste na deposição de camadas de materiais (vidros especiais) no interior de um tubo de sílica pura (SiO2).
• O tubo de sílica é o que fará o papel de casca da fibra óptica, enquanto que os materiais que são depositados farão o papel do núcleo da fibra.
• Por esse processo, obtêm-se fibras de boa qualidade porque a reação que ocorre no interior do tubo não tem contato com o meio externo.
PVCD
• Ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-se um plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de micro-ondas para a estimulação dos gases no interior do tubo de sílica.
• Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo, pois a deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade ressoante.
FONTES DE GASES UNIDADE DE COMANDO BOMBA DE VÁCUO PLASMA NÃO ISOTÉRMICO CAVIDADE RESSONANTE DE MICRO-ONDAS TUBO DE SÍLICA FORNO ELÉTRICO
OVD
• Este processo baseia-se no crescimento da pré-forma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril.
• Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são depositados no mandril através de camadas sucessivas. • Nesse processo ocorre a deposição do núcleo e também da casa, e
obtêm-se pré-formas de diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais).
QUEIMADOR FLUXO DE GASES + CLORETO PRÉ FORMA POROSA MANDRIL FORNO ELÉTRICO ≈1500°C PRÉ FORMA SINTETIZADA
VAD
• A casca e o núcleo são depositados mas no sentido do eixo da fibra (sentido axial).
• Utilizam-se dois queimadores que criam a distribuição de
temperatura desejada e também injetam os gases
QUEIMADOR FLUXO DE MATERIAIS PRÉ FORMA POROSA MANDRIL FORNO ELÉTRICO PRÉ FORMA TRANSPARENTE
Puxamento
• Obtida a pré-forma, por qualquer um dos métodos descritos, esta é levada a uma estrutura vertical chamada torre de puxamento e é fixada num alimentador que a introduz num forno.
Fonte da imagem:
http://4.bp.blogspot.com/_8nq81i5EmSc/SHQFEuGj5QI/AAAAAAAAADM/RN zwwyvExKc/s400/imagem2.JPG
Classificação das fibras
Classificação de fibras
• A classificação mais usada é quanto as
características de propagação:
– Monomodo (single mode-SM)
– Multimodo (multi mode – MM)
Fibras multimodo (MM)
• Foram as primeiras a serem comercializadas;
• Fibras multimodo garantem a emissão de vários sinais ao mesmo tempo (geralmente utilizam LEDs para a emissão);
• Esse tipo de fibra é mais recomendado para transmissões de curtas distâncias, pois garante apenas 300 metros de transmissões sem perdas.
125 125
Fibras monomodo (SM)
• Só podem atender a um sinal por vez.
• Uma única fonte de luz (na maior parte das vezes, laser) envia as informações por enormes distâncias;
• Apresentam menos dispersão, por isso pode haver distâncias muito grandes entre retransmissores.
8-10 µm
Proteções dos cabos ópticos
KEVLAR, THIGHT, LOOSE, RIBBON,
GROOVE
Proteções no cabos ópticos
• Ao reunirmos várias fibra em um cabo óptico algumas proteções são necessárias a fim de proporcionarem resistência mecânica e amparo contra intempéries .
Cabos tipo Loose
• As fibras são alojadas dentro de um tubo cujo diâmetro é muito maior que os das fibras;
• Dentro deste tubo pode ser aplicado um gel derivado de petróleo para criar isolamento da umidade externa.
Cabos tipo Tight
• As fibras recebem um revestimento secundário de nylon ou poliéster;
• Após receberem este revestimento, são agrupadas juntas com um elemento de tração que irá dar-lhe resistência mecânica;
Fonte da imagem:
http://www.cianet.ind.br/img/imagens/tecnol ogias/fibra_optica_cabo.jpg
Cabos tipo Groove
• As fibras ópticas são acomodadas soltas em uma estrutura interna do tipo ESTRELA;
• Esta estrutura apresenta um elemento de tração ou elemento tensor incorporada em seu interior, a função básica deste elemento é de dar resistência mecânica ao conjunto.
ESPAÇADOR
FIBRA ÓPTICA CABO EXTERNO
Cabos tipo Ribbon
• As fibras são agrupadas horizontalmente e envolvidas por uma camada de plástico, tornando-se um conjunto compacto; • Estes conjuntos são alojados nas ranhuras das estruturas
estrelares do cabo tipo groove.
Fonte da imagem
Kevlar
• Após o buffer a fibra é protegida por uma malha de fibras protetoras, composta de fibras de kevlar;
• Sua função de evitar que o cabo seja danificado ou partido quando puxado; Fone da imagem: http://www.clubedohardwa re.com.br/imageview.php?i mage=1033 Fonte da imagem: http://www.latinoseguridad.com/Lat inoSeguridad/SPX/kevlar.jpg
Janelas de transmissão
• O espectro de transmissão óptico é referenciado em termos de comprimento de onda (λ), diferenciando assim sistemas ópticos de sistemas eletromagnéticos (micro-ondas);
• Das 3 janelas de transmissão mais usadas, a de 850nm é a que apresenta maior atenuação e a de 1550nm, a menor.
• A faixa ao redor de 1400nm não pode ser utilizada devido sua
alta atenuação, causada pela absorção do radical -OH (pico
800 1000 1200 1400 1600 Baixa Perda 850nm 1ª Janela 1300/1310nm 2ª Janela 1550nm 3ª Janela Atenuação da fibra dB Comprimento de onda
Janelas de Transmissão
Alto custoTransmissores e receptores
Transmissores
• Os transmissores são responsáveis por inserir, nas fibras, pulsos de luz que transportam informações.
• Conhecidos pela sigla TX. • Os mais usados são:
– LED; – LASER; – VCSEL;
LED
• Diodo emissor de luz;
• São usados quase sempre com fibras multimodo; • Possuem baixo Custo
• Operam na janela de transmissão de 850 nm;
• Comumente utilizados em sistemas com uma taxa de transmissão relativamente pequena – 155 Mbps;
LED
Vantagens Desvantagens
Mais simples de serem instalados
Potência óptica menor (sinal mais fraco)
Maior tempo de vida Largura do espectro maior
Circuitos Drivers menos complexos
Chaveamento mais lento Menos sensível a
variações nas condições atmosféricas
Emissão muito divergente
LASER
• Luz Amplificada pela Emissão Estimulada de Radiação
• Sua luz é direcionada, com pequena divergência, dispersão (espalhamento da luz).
• Essa característica, também importante em fibras ópticas, acarretará um melhor ou pior acoplamento de luz no núcleo da fibra óptica.
• Possui uma cavidade óptica (Fabry-Perot) que possibilita a realimentação de luz gerada, estimulando a emissão.
ATENÇÃO
• NUNCA olhe diretamente para a ponta de uma fibra óptica se você não souber onde a outra ponta está conectada. Se houver um transmissor ativo, você não verá a luz, mas estará prejudicando a sua retina, podendo causar graves danos a visão.
LEDxLASER
Características LED LASER
Custo menor maior
Utilização simples complexa
Largura do espectro larga estreita
Tempo de vida maior menor
Velocidade lento rápido
Divergência na emissão maior menor
Acoplamento à fibra pior Melhor
Sensibilidade a temperatura menor maior
VCSEL
• Laser de Emissão por superfície de cavidade vertical ;
• É o laser do semicondutor que emite luz em um feixe cilíndrico verticalmente a superfície do wafer onde é fabricado é semelhante ao laser tradicional, porém sua emissão de luz é similar ao LED
Fonte da imagem:
http://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Dateien/N ewsbilder/ULM_VCSEL.jpg
Fotodetectores
• São usados na extremidade da fibra conectada ao receptor, sendo dispositivos que convertem os sinais luminosos aplicados em corrente elétrica.
• Existem dois tipos: – PIN
PIN
• Independente do tipo de fibra os detectores PIN geralmente operam na região entre 850 a 1310 µm;
Vantagens Desvantagens
Mais robusto que os detectores APL Poder de detecção de sinais de baixa potência menos que os
detectores APD Tecnologia e aplicação menos
dispendiosa
Tempo de resposta menor que os demais detectores
Menos material semicondutor A relação sinal / ruído desfavorece este tipo de detector
Vida útil maior que os demais detectores
APD
• Sua principal vantagem é uma elevada relação de sinal-ruído, especialmente a altas taxas de bits.
• Combinam a detecção de sinais ópticos com amplificação (ganho) interna da foto corrente.
• Características:
– Pequena taxa de fótons
– Alta velocidade de resposta – Alta sensibilidade
PINxAPD
Características PIN APD
Sensibilidade menor maior
Linearidade maior menor
Relação sinal/ruído pior melhor
Custo baixo alto
Vida útil maior menor
Tempo de resposta maior menor
Circuitos de polarização simples complexo
Classificação ISO 11801
Classificação quanto ao comprimento
de onda
TIPO DE FIBRA DIÂMETRO DO NÚCLEO
OM1 (multimodo) 62,5 µm OM2 (multimodo) 50 µm OM3 (multimodo) 50 µm OM4 (multimodo) 50 µm OS1 (monomodo) 9 µm OS2 (monomodo) 9 µm
