Redes Ópticas I: Fibra Óptica

 

Com a crescente evolução das comunicações, estimulada pelo aumento da demanda do tráfego de voz, dados, áudio, e, vídeos de alta qualidade, surge a necessidade da substituição dos antigos cabos de par metálico por fibras ópticas. Sendo imune a ruídos eletromagnéticos, as fibras ópticas assumem um papel de alta importância nos dias de hoje na área de telecomunicações, permitindo a transmissão por longas distâncias com uma taxa muito mais elevada.

 

A fibra pode ser constituída de sílica ou “plástico”, sendo que independente de sua constituição, seu modo de funcionamento ocorre do mesmo modo, onde a propagação de um feixe de luz, através de reflexões ocorridas ao longo da fibra, ocorre a transmissão ao longo da fibra até seu receptor. (RODRIGUES, 2013)

 

Fibras ópticas de sílica – Glass optical fibre (GOF).

 

A fibra óptica de vidro é feito de sílica, com o diâmetro um pouco mais espesso que um fio de cabelo humano, sendo a mais utilizada como meio de transmissão em longas distâncias, devido a seu baixo índice de atenuação e maior capacidade de banda se comparado com os pares metálicos. Além disso, as fibras são imunes a ruídos eletromagnéticos, um problema sério que ocorre nos cabos metálicos. Seus materiais de fabricação são a sílica pura ou a sílica dopada, dependendo da necessidade do projeto.(OLIVEIRA, 2014a). A Figura 1 representa o cabo de fibra óptica de sílica.

 

Figura 1: Cabo de fibra óptica de sílica

Fonte: (TELCITÉ, 2016).

 

Fibra óptica plástica - Plastic optical fibre (POF).

 

A fibra óptica plástica, como diz seu nome, é criada a partir de materiais poliméricos e, assim como as fibras de sílica, sua estrutura é constituída por um núcleo, uma bainha e um revestimento para proteção. Seu núcleo pode ser constituído de diversos materiais, sendo que o tipo de material utilizado em sua constituição pode gerar uma atenuação maior ou menor. Atualmente, seu melhor resultado se dá com o polímero de flúor, com atenuações de cerca 10 dB/km para um comprimento de onda de 1300 nm. (RODRIGUES, 2013). A Figura 2 representa o cabo de fibra óptica plástica.

 

Figura 2: Cabo de fibra óptica plástica

Fonte: (HOMEFIBRE DIGITAL NETWORK GMBH, 2016).

 

A história da fibra óptica plástica

 

O mercado de telecomunicação caracteriza-se por ser extremamente dinâmico, as empresas inseridas nesse meio estão sempre busca de novas tecnologias para poder atender o ritmo do acesso e dos negócios referentes área. Com a rápida ascensão da internet, foram necessárias novas soluções tecnológicas, afim de atender e garantir um acesso em banda larga e um QoS para poder atender aos usuários domésticos e empresariais com o objetivo de criar prioridades em uma rede, como por exemplo o VoIP. Por volta de 1990 iniciaram-se as primeiras instalações de fibra óptica na rede de acesso, através de operadores de telecomunicação e fornecedores de equipamentos formaram a FULL SERVICE ACESS NETWORK (FSAN). Desde então a fibra óptica começou a ser bastante explorada, sendo umas das grandes protagonistas, que permitiram a evolução nas redes de telecomunicações. (RODRIGUES, 2013)

 

A Tabela 1 mostra as datas que marcaram a evolução da transmissão de dados em redes de acesso por meio óptico.

 

Tabela 1: Datas importantes das tecnologias ópticas de redes de acesso

ANO	ACONTECIMENTO
1990	Nascimento da FSAN
1998	FSAN especifica a APON com taxas de transferência entre 155-622 Mbps
2001	ITU-T lança versão final da norma G.983 (baseado em APON), designando-a por BPON
2003	ITU-T especifica a GPON G.984 com 2.4 Gbps no sentido descendente e 1.2 Gbps ascendente
2004	IEEE especifica a EPON 802.3ah com 1 Gbps simétrico
2006-2009	Massificação de redes GPON na América e na Europa
2007	IEEE especifica a 10G-EPON 802.3av com 10 Gbps simétrico
2010	ITU-T especifica a 10G-PON G.987 com 10 Gbps no sentido descendente e 2.5 Gbps ascendente.

Fonte: (RODRIGUES, 2013).

 

A POF teve sua primeira experiência realizada em 1955, e o primeiro material utilizado para sua fabricação foi o PMMA, rígido e transparente, conhecido no popularmente como “acrílico”. Entretanto, a atenuação presente nesse tipo de fibra era próximo aos 1000 dB/km, portanto a sua utilização não era viável para comunicações, uma vez que a GOF, possuía atenuações inferiores.

 

Nos anos que se seguiram, vários estudos foram realizados pela empresa Mitsubishi Rayon, Asahi Chemical, a Toray e a NTT que conseguiram diminuir atenuação para os valores mínimos de 55 dB/km a 568nm, porém, o comprimento de onda estava fora da janela típica utilizada em telecomunicação que é 850 – 1550 nm.

 

A acessão do POF se deu em torno de 1995 na Universidade de Keio, quando foi apresentada a POF de índice gradual (GI) com o polímero de flúor (PF). Com isso tipo de material e método, foi possível obter atenuações inferiores a 50dB/km utilizando os comprimentos entre os 850-1550nm. (RODRIGUES, 2013)

 

A Tabela 2 mostra as importantes datas para as fibras ópticas.

 

Tabela 2: Datas importantes das fibras ópticas

ANO	ACONTECIMENTO
1956	Narinder Kanpany inventa a fibra óptica
1958	Arthur Schwalow e Charles Townes inventam o laser.
1962	Foi inventado o primeiro fotodetector PIN de silício de alta velocidade
1968	Desenvolvida a primeira POF-PMMA
1976	Primeiro sistema comercial de fibras ópticas
1983	Introduzida a GOF monomodo com dispersão nula em 1310 nm G652
1992	Prof. Koike anuncia 2.5 Gbps com 100m transmissão GI-POF-PMMA utilizando um díodo laser (LD) nos 650nm
1994	Introduzida a GOF de dispersão nula (NZD) em 1500 nm – G655
1999	A Lucent anuncia 11 Gbps em 100 m de POF Lucina™ (PF-GI-POF)
2005	Primeira PMMA-GI-POF disponível comercialmente.
2010	A AGC apresenta a PF-GI-POF baseada no polímero CYTOP, com uma estrutura com dupla bainha para reduzir as perdas de potência associadas às curvaturas.

Fonte: (RODRIGUES, 2013).

 

A concepção da fibra óptica contribuiu para uma das maiores revoluções das telecomunicações nas últimas décadas e, desde o seu surgimento o mercado das telecomunicações tem-se desenvolvido, criando novos ramos de negócio a um ritmo vertiginoso.

 

Tipos de fibra óptica plástica disponíveis no mercado

 

Até recentemente, as POF para transmissão de dados eram limitadas a SI-POF feitas com PMMA e banda de 38 MHz a 100 m (Mitsubishi Eska). A Mitsubishi Eska apresentou alguns anos depois a fibra Eska-Mega, com aumento de três vezes na capacidade de banda. Porém tal feito também é possível com o uso de fibras de duplo e múltiplo índice degrau, DSI e MSI respectivamente e também, com fibras de múltiplos núcleos (MC) ou a combinação destes.

 

Hoje, existem os mais diversos tipos de fibras ópticas plásticas, podendo ser divididas e classificadas basicamente de acordo com os critérios de distribuição do índice de refração do núcleo, número de modos propagados, número de núcleos e material do qual é constituído o núcleo (RODRIGUES, 2013).

SI-POF (Step index – POF).

 

Tal como as GOFs, as primeiras POFs apresentavam um perfil do índice em degrau (SIPOF). O núcleo é constituído por um material homogéneo, isto é, com índice de refração constante. A sua grande abertura numérica e diâmetro do núcleo permitem o uso de fontes ópticas de baixa coerência e mais baratas (como o caso dos LEDs). O processo de acoplamento é melhor e requer pouca precisão com os conetores. (ZIEMANN et al., 2008)

 

GI-POF (Graded index – POF).

 

Tal como o seu nome indica, este tipo de fibra possui um núcleo composto por materiais poliméricos com índices de refração variáveis. Essa variação de gradiente do índice de refração acontece à medida que a distância ao eixo da fibra aumenta, enquanto a bainha mantém um índice de refração constante. (ZIEMANN et al., 2008)

 

Fibra monomodo

 

As fibras monomodo, foram desenvolvidas a princípio para a transmissão de sinais óticos em 1310nm obedecendo as normas G652 da ITU-T. Apesar do revestimento e da casca serem praticamente iguais para as fibras multimodo e monomodo, seu núcleo da ordem de 5 a 10 µm, é de fato muito menor se comparado com as fibras multimodo. Apesar disso, ambas as fibras são muito pequenas e praticamente impossíveis de distingui-las sem o auxílio de um microscópio.

 

As fibras monomodo possuem um núcleo com menor dimensão e uma maior capacidade de transmissão, sendo apropriadas para utilização em longas distancias ou transmissão de grandes quantidades de dados devido ao seu custo elevado.

 

Tais fibras permitem que apenas um sinal de luz seja transmitido pela fibra em um único modo de propagação, o que deu origem a seu nome. Esse fenômeno ocorre devido a seu pequeno núcleo se comparado com o comprimento de onda do sinal óptico. Referente a atenuação, apresentam baixas perdas, facilitando a transmissão por longas distâncias sem a necessidade da utilização de repetidores, seus valores de atenuação são 0,5 dB/km e 0,2 dB/km para 1300nm e 1550nm respectivamente. (PIÑERA BUENDÍA, 2015)

 

Fibra multimodo

 

A fibra multimodo é aquela em que os feixes de luz podem transitar em mais de um modo ou caminho. Sendo assim, supõem-se que os feixes não chegam todos ao mesmo tempo ao receptor. Assim como as fibras monomodo as fibras multimodo são utilizadas para transmitir dados, porém, são mais utilizadas em curtas distâncias devido ao seu alto nível de atenuação se comparado com a fibra monomodo, nota-se também, um diâmetro relativamente maior da fibra multimodo, o que facilita utilização de fontes ópticas incoerentes, como por exemplo o LED (Light-emitting diode). O núcleo de uma fibra multimodo possui um índice de refração superior, porém, de mesma ordem e magnitude que seu revestimento. Devido ao grande tamanho do núcleo se comparado com outras fibras, esta tende-se a ser mais fácil de se trabalhar e possibilita a utilização de componentes de menor precisão.(ZIEMANN et al., 2008)

 

Multimodo de Índice Degrau (SI – Step Index).

 

Possuem um núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca. As fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por isto, possuem características inferiores aos outros tipos de fibras, sendo que uma das deficiências que podemos enumerar é a banda passante que é muito estreita, o que restringe a capacidade de transmissão da fibra. A atenuação é bastante alta quando comparada com as fibras monomodo, o que restringe as aplicações com fibras multimodo com relação à distância e à capacidade de transmissão. A Figura 3 representa o perfil de índice de refração de uma fibra MMF-SI. (ZIEMANN et al., 2008)

 

Figura 3: Perfil de índice de refração de uma fibra MMF-SI

Fonte: (ZIEMANN et al., 2008) editado pelo autor

 

Multimodo de Índice Gradual (GI- Graded Index).

 

As fibras multimodo de índice gradual possuem um núcleo constituído de materiais de origem polimérica com índices de refração distintos. Seu método de fabricação é mais complexo pois somente é possível conseguir o índice de refração gradual dopando com diferentes doses o núcleo da fibra, fazendo com que o índice de refração diminua de forma gradual do centro do núcleo até a casca.

 

Na prática, tal técnica faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e cheguem à outra extremidade da fibra ao mesmo tempo praticamente, aumentando a banda passante e, consequentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica. Na Figura 4 é possível verificar que no centro do núcleo, os raios percorrem distâncias menores, mas possuem uma velocidade de propagação menor derivado ao índice de refração ser superior. Por outro lado, uma vez que os valores de índice de refração junto à bainha são inferiores, os raios são propagados a uma velocidade e distâncias superiores.(CAMPOS, 2002).

 

Figura 4: Perfil de índice de refração de uma fibra MMF-GI

Fonte: (ZIEMANN et al., 2008).

 

A Figura 5 representa o comparativo entre MMF-SI, MMF-GI e SMF.

 

Figura 5: Comparativo entre MMF-SI, MMF-GI e SMF

Fonte: (FOSCO, 2016) Editado pelo autor

 

Dispersão

 

A dispersão é um fenómeno que ocorre nas fibras ópticas quando um determinado impulso de luz se propaga ao longo da fibra e sofre um efeito de alargamento temporal. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica (dada em MHz.km), e está relacionada com a capacidade de transmissão de informação das fibras. No caso da transmissão digital, o alargamento de um impulso pode sobrepor-se a impulsos adjacentes, um efeito conhecido por interferência Inter simbólica (ISI).

 

Existem dois tipos básicos de dispersão: intramodal e intermodal. A primeira pode ainda subdividir-se em dispersão material e dispersão de guia de onda. Relativamente à dispersão intermodal, apenas se aplica às fibras multimodo (índice degrau e gradual). (ZIEMANN et al., 2008)

 

Dispersão intermodal

 

A dispersão intermodal ocorre quando um pulso óptico é inserido em uma fibra multimodo, a potência óptica do pulso é então distribuída em um grande número de modos, ou seja, há o alargamento de pulso. Os diferentes modos viajam com velocidades de propagação diferentes ao longo da fibra. Este tipo de dispersão ocorre somente em fibras multimodo. (ZIEMANN et al., 2008)

 

A Figura 6 representa o modo como a dispersão intermodal atua na fibra.

 

Figura 6: Dispersão intermodal

Fonte: (FOSCO, 2016) Editado pelo autor

 

Dispersão intramodal ou dispersão cromática

 

É o alargamento de pulso causado pela largura espectral finita da fonte de luz. A Figura 7 demonstra o efeito causado pela dispersão intramodal em cada comprimento de onda. (RUDGE, 2009)

 

Este tipo de dispersão subdivide-se em dois tipos, dispersão material e dispersão de guia de onda.

 

Figura 7: Efeitos da dispersão intramodal

Fonte:(DOS SANTOS, 2008).

 

Dispersão material

 

Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem uma certa largura espectral finita (Dl), cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso.(RUDGE, 2009)

 

Dispersão guia de onda

 

Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material reduzida. (RUDGE, 2009)

 

Comparativo entre os tipos de POF

 

Como se viu anteriormente as POFs podem ser classificadas consoante o seu perfil refrativo. É importante ressaltar que cada tipo possui caraterísticas diferentes, influenciando assim a área de aplicação das mesmas. Começando pela SI-POF, dada à sua elevada dispersão intermodal, é normalmente utilizada para transmissão de dados de curta distância ou em iluminação. Relativamente à GIPOF, apresenta uma grande melhoria comparativamente à SI-POF. Possui uma baixa dispersão intermodal e uma atenuação inferior comparativamente à SI-POF, devido ao seu perfil do índice de refração, permitindo assim a transferência de dados mais robustas. (RODRIGUES, 2013)

 

Normas existentes para POF

 

Na área de telecomunicações, existem organizações responsáveis por padronizações e normas em todo o mundo que servem como base para que os fabricantes possam tornar viáveis suas soluções tecnológicas. Dentre essas organizações pode se destacar a ITU e a IEC.

 

No caso das fibras ópticas plásticas sua padronização é feita pela norma IEC 60793-2-40 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) como sendo parte da categoria de fibras do tipo A4. Essa categoria contém quatro tipos de fibra SI-POF (A4a-A4d) e posteriormente as empresas OFS e NEXANS propuseram a alteração da padronização da família A4 para que as fibras plásticas de índice degrau (GI-POF) perfluoradas fossem inclusas dando origem as categorias (A4e-A4f) .(PIÑERA BUENDÍA, 2015)

 

A seguir a Tabela 3 apresenta as especificações das fibras utilizadas neste estudo de caso

 

Tabela 3: Especificações da norma IEC 60793-2-40

CLASSE	A4A.1	A4A.2
Ø núcleo (µm)	Entre 15 µm e 35 µm menor que o diâmetro da bainha (µm)
Ø bainha (µm)	1000 ± 60	1000 ± 60
Abertura numérica (NA)	0.5 ± 0.15	0.5 ± 0.03
Comprimento de onda de operação (nm)	650nm
Aplicações	Interfaces de áudio, automóveis, sensores, indústrias e transmissão de dados

Fonte:(IEC, 2015), modificado pelo autor