Sumário

As fibras ópticas irão substituir rápido e progressivamente o cobre nas telecomunicações. Esta afirmação apoia-se em três factos emanados da evolução tecnológica e do próprio mercado. Em primeiro lugar, todos reconhecemos que as diversas formas de fibras ópticas existentes no mercado são absolutamente superiores ao cobre no transporte de informação (mais capacidade, maior robustez, maior imunidade, etc.).Em segundo lugar, os preços das fibras ópticas, bem como de toda a tecnologia optoeletrónica que lhe está subjacente, diminuem todos os dias.

E por último, embora exista um esforço assinalável por parte de quem desenvolve tecnologia de transmissão, cada vez melhor e mais barata, para funcionar sobre o cobre, os preços do dito metal nos mercados internacionais está a torna-lo demasiado valioso para ser aplicado em cabos de telecomunicações.

Até mesmo o último bastião dos pares de cobre (os 100m entre o ATI e os equipamentos terminais) será, pelas razões apontadas neste artigo, ocupado pelas fibras ópticas.

Nota histórica

A utilização de sinais visuais para comunicar a distâncias consideráveis (entre cidades ou países) remonta a tempos imemoráveis, donde se destacam os sinais de fumo ou as fogueiras sequenciais no cimo das montanhas. Estas eram formas expeditas para transmitir pequenas mensagens de elevada criticidade, tais como o nascimento ou morte de um soberano ou prenúncio de guerra. Mais tarde utilizaram-se sistemas de comunicação visual/óptica mais elaborados com combinações de bandeiras e semáforos com algoritmos de comunicação mais sofisticados, tais como o famoso código Morse.

Com o desenvolvimento das comunicações por rádio (radiação electromagnética), na primeira metade do século XX, tornou-se possível transmitir mensagens mais elaboradas, em particular a voz e posteriormente imagens (a TV), para grandes distâncias (intercontinentais e interplanetárias). Nessa época existia a convicção de que, para se conseguir transmitir, cada vez mais rapidamente, as mensagens era necessário aumentar a frequência das ondas electromagnéticas (tendo tudo começado com as algumas centenas de kHz’s, chegando hoje em dia às dezenas de GHz, no campo das Micro-ondas), e que um dia se chegaria à necessidade de usar as frequências da luz para se difundirem (à imagem do que estava a acontecer com o rádio) mais rapidamente as mensagens.

Na prática, essas expectativas nunca se concretizaram, porque a difusão de ondas de luz comporta constrangimentos físicos que as torna absolutamente não competitivas naquilo que nos é familiar das ondas de rádio, nomeadamente uma aparente omnipresença dos sinais. Por outro lado, a elevada directividade e atenuação da luz a propagar-se no ar faz com que só as comunicações ponto a ponto, para distâncias curtas, sejam efectivamente viáveis, figura [1].

Figura [1] Sistema de comunicações com feixe laser entre dois pontos em linha de vista. Estes sistemas são fáceis de instalar, não necessitam de qualquer tipo de licenciamento por parte dos reguladores de telecomunicações e funcionam com débitos que podem superar 1Gbps.

Não obstando os constrangimentos aqui sublinhados, a luz (radiação óptica), porque apresenta frequências incomparavelmente mais elevadas que as ondas de rádio (cerca de 10 milhões de vezes superior), comporta efectivamente um elevado potencial para transportar quantidades muito elevadas de informação por unidade de tempo. Para se obterem benefícios das potencialidades da luz no transporte informação, contornando os constrangimentos anteriormente apontados, é necessário disponibilizar um meio capaz de conduzir a luz com baixa atenuação e de fácil manuseamento. Em 1970 surgiram as primeiras fibras ópticas com atenuações na ordem dos 20dB/km, sendo para a época um resultado promissor, pois era 10 vezes melhor que um cabo coaxial de CATV!

Como Funcionam as Fibras Ópticas

À semelhança de um cabo eléctrico, onde existe sempre uma alma condutora (cobre, alumínio, etc.) e um isolamento circundante constituído por um material plástico, nas fibras ópticas existe um núcleo e uma bainha circundante.

Figura [2] Esquema clássico duma fibra óptica.

Para entendermos como funcionam as fibras ópticas, de maneira muito simplificada, temos que compreender como é possível conduzir luz, por reflexões sucessivas, no interior de uma estrutura totalmente transparente. Efectivamente, o material que constitui o núcleo de uma fibra óptica é totalmente transparente à passagem da luz, mas a bainha (material circundante ao núcleo) também é transparente à luz.

Figura [3] Reflexão total da luz na interface entre o núcleo e a bainha de uma fibra óptica.

Verdadeiramente, ao contrário do que o nosso sentido comum nos poderia fazer pensar, para a luz ser conduzida numa fibra óptica não é necessário nenhuma estrutura espelhada a cobrir o núcleo da fibra. Acontece que, o material que constitui o núcleo é mais denso que o material da bainha (N₁ › N₂) e isso faz com que a luz que viaja dentro do núcleo “veja” uma a interface, entre o núcleo e a bainha, aparentemente espelhada. Esse efeito de “espelho” faz com que a luz se reflicta, quase sem perdas, no interior da fibra óptica, até sair no outro extremo.

Tipos de fibras ópticas e as suas aplicações

A combinação de diversos materiais e geometrias permite obter fibras ópticas com características técnicas totalmente distintas, conforme as necessidades e aplicações. Efectivamente, existem fibras ópticas para aplicações em iluminação, instrumentação (sensores) e, obviamente, fibras ópticas para comunicações.

Por causa da sua baixa atenuação, as fibras ópticas podem transportar quantidades de energia extremamente baixas (fracções ínfimas do mW) no campo das comunicações ou energias muito elevadas (dezenas de kW’s) no campo dos sistemas de corte ou processamento de materiais por laser.

No âmbito das comunicações, vamos dividir as fibras ópticas em dois grandes grupos, fibras ópticas multimodais e as fibras ópticas monomodais. As fibras monomodais, por exigências do seu elevado desempenho (perdas de sinal excepcionalmente baixas e larguras de banda extremamente elevadas), caracterizam-se por serem sempre construídas totalmente à base de sílica e apresentarem núcleos extremamente diminutos (menos de 0,01mm – 10mm).

As fibras multimodais mais comuns em telecomunicações também apresentam o seu núcleo e a bainha em sílica (com núcleos maiores ou iguais a 0,05mm – 50 mm). Existem também variantes de fibras ópticas multimodais cuja construção é híbrida (sílica e polímeros).

Convêm salientar que as fibras ópticas multimodais, sobre as quais existem fundadas expectativas de virem a ser aplicadas na distribuição de comunicações em edifícios (ITED), do ATI até às tomada da TV, telefone e computadores, são efectivamente construídas à base de polímeros. Estas fibras ópticas, fabricadas a partir de acrílicos, com desenhos e construções muito simples (apresentam núcleos com diâmetros de até 1mm, ver figura [4]), já estão no mercado, nomeadamente em aplicações para a indústria automóvel, e a sua normalização, bem como a normalização das interfaces de comunicação (emissores e receptores ópticos) está muito desenvolvida (EN 60793-2-40, IEEE1394.b). Consequentemente, a entrada destas fibras ópticas no mundo das redes empresariais e domésticas estará próxima. Neste aspecto é relevante sublinhar que, algumas variedades de fibras plásticas já apresentam desempenhos muito semelhante aos cabos com quatro pares de cobre, xTP CAT6 (podem transmitir um 1Gbps para uma distância de até 100m), contornando todos os constrangimentos destes tipos de cabos de pares, nomeadamente, maior robustez mecânica, imunidade electromagnética e extrema simplicidade na terminação.

Figura [4] Comparação de diferentes tipos de fibras ópticas [desenho à escala].

A utilização das fibras monomodais é mais frequente no âmbito dos “backbones” das grandes redes de telecomunicações terrestres (regionais, nacionais e transnacionais), redes submarinas, redes de CATV, redes GSM/UMTS, etc. Adicionalmente, como existe cada vez maior necessidade de se entregar no cliente final larguras de banda sucessivamente mais elevadas para se disponibilizarem serviços multimédia progressivamente mais exigentes (TV de alta definição, Internet, VoIP, webconference, etc.), a fibra monomodal está sucessivamente mais próxima da casa dos clientes empresarias e domésticos, nomeadamente para suportar as novas hassan.claussen@hansecom.net de distribuição FTTx (a mais famosa destas tecnologias é a FTTH – Fiber to the Home).

As fibras multimodais mais usuais (construídas em sílica) são abundantemente utilizadas nos “backbones” das redes empresariais (as fibras multimodais com o núcleo de 50mm, porque apresentam melhor desempenho, estão tendencialmente a dominar o mercado em detrimento das fibras de 62,5mm). Contudo, a utilização deste tipo de fibras ópticas na distribuição de sinal até ao posto de trabalho (equipamento terminal) não passa de uma miragem porque, os processos de terminação são mais demorados que nos cabos xTP e a manutenção dos interfaces ópticos em zonas com acessos e ambientes não controlados representa um grande desafio (nomeadamente por causa da limpeza - ver figura [5]). Recordemos que, em particular, os núcleos das fibras multimodais apresentam diâmetros de cerca de 5 centésimos de milímetro – 50mm. E no caso das fibras monomodais, esta argumentação é ainda mais gravosa.

Figura [5.a] Comparação da dimensão da interface de um conector para fibra óptica com cabeça de uma formiga

Figura [5.b] Observação de uma fibra óptica monomodal (9/125um) e respectivo núcleo, na presença de poeiras.

Devemos realçar uma vez mais que, ao contrário das fibras de sílica, as fibras plásticas, porque apresentam um núcleo relativamente grande (até cerca de 1mm), não estão sujeitas aos constrangimentos de limpeza das fibras em sílica com núcleos incomparavelmente diminutos (entre 10mm a 50mm). Adicionalmente, as fibras plásticas podem ser conectorizadas tão rapidamente quanto um cabo de pares de cobre e para colmatar, são mais robustas do que os cabos de pares, do ponto de vista mecânico, ambiental e electromagnético.

Genericamente, na interligação de duas fibras ópticas, onde é necessário garantir total alinhamento dos núcleos, existem duas abordagens, de caracter:

Permanente, que consiste na fusão das fibras por arco eléctrico;
Temporário, que implica a montagem de conectores (Figura [6]).

Figura: [6.a] Sistema duplo de conectores SC.

Figura: [6.b] Sistema duplo de conectores LC.

Actualmente existe uma vasta panóplia de conectores para fibras ópticas. Alguns tipos de conectores são mais utilizados em redes de fibras multimodais, outros mais utilizados em redes de fibras monomodais. No âmbito deste artigo vamos dar particular atenção, aos conectores SC, figura [6.a], que são os mais utilizados nos RG-FO por serem razoavelmente compactos e facilmente manuseáveis no processo de acoplamento e desacoplamento. Os conectores LC, figura [6.b], são igualmente de fácil manuseamento, mas por serem extremamente compactos, são cada vez mais utilizados nos RG-FO empresariais onde a alta densidade de fibras é frequentemente um factor crítico.

Fibras ópticas nas ITED

No âmbito do manual ITED (publicado em Julho de 2004) ficou estabelecido que, entre outras inovações, as cablagens de fibra óptica, NQ3 (por agora, só as fibras fabricadas a partir da sílica), também devem seguir requisitos gerais quanto aos dimensionamentos de tubagens, requisitos de instalação, afectação de número de pares de fibra, a obrigatoriedade da execução de ensaios específicos de aceitação, e ainda mais importante, a indicação explicita de normas técnicas internacionais aplicáveis, tanto à especificação e caracterização das fibras, EN 50173-1, como à instalação dos cabos EN 50174.

Em conformidade com os requisitos dessas normas, diferentes tipos de fibras ópticas estão classificados no manual ITED conforme se apresenta na figura [7].

	Distancia a Percorrer
Mbps	300m	500m	2000m	> 2000m
100	OM1	OM1	OM2	OS1
1.000	OM1	OM2	OS1	OS1
10.000	OM3	OM3	OS1	OS1

Figura [7] Desempenho de diferentes tipos de fibra óptica em função da taxa de transmissão e a distância.

As fibras ópticas OMx são multimodais, as fibras ópticas OSx são fibras monomodais. Todas as fibras ópticas aqui apresentadas estão normalizadas com um diâmetro da bainha de 125mm, e com núcleos de 62,5 mm, 50 mm, e 10 mm, para OM1, (OM2 e OM3) e OS1, respectivamente. Sublinhe-se que, as fibras ópticas OM2 e OM3 têm o mesmo diâmetro de núcleo, o que as diferencia é que a fibra OM3 está optimizada para funcionar com fontes de luz laser. Ou seja, a aplicação dos diferentes tipos de fibra óptica num determinado projecto depende das exigências ao nível das taxas de transmissão e das distâncias a percorrer pelos sinais de informação (atenuação dos sinais). Com este princípio, é obvio que nas ITED, onde as dimensões dos edifícios dificilmente ultrapassarão 500m entre quaisquer dois pontos, as fibras OM1 ou OM2 serão suficientes para cumprir com as taxas de transmissão habituais (100Mbps ou 1Gbps). Só em situações espaciais, ou por exigência dos clientes, é que serão utilizadas fibras OM3 ou OS1.

Na figura [8] podemos comparar as atenuações entre as fibras ópticas de sílica e as fibras ópticas de plástico. Efectivamente, o desempenho das fibras de sílica é muito melhor, mas para distância não superior a 100m, o desempenho que as fibras plásticas apresentam (0,18dB/m) é suficiente para as aplicações em questão. Note-se que os níveis de atenuação dos cabos coaxiais aplicados nas ITED apresentam atenuações semelhantes a estas fibras plásticas.

	Fibras de Sílica		Fibras Plásticas
	Características de atenuação típicas
Diâmetro do Núcleo/Bainha	OS1	OM2	1000 mm
Atenuação	0,35dB/km	0,50dB/km	18dB/100m

Figura [8] Comparação da atenuação de diferentes tipos de fibras ópticas.

Conclusão

As fibras ópticas, pelo seu carácter estruturante, são uma realidade incontornável nas colunas montantes das ITED empresariais de hoje. Consequentemente, contemplar este tipo de tecnologia, embora ainda de forma incipiente, na primeira versão do manual que regula os projectos e a instalação das infra-estruturas de telecomunicações em edifícios (ITED) era inadiável. Também, ao nível das infra-estruturas de telecomunicações que se desenvolvem nos espaços públicos, as fibras ópticas, embora lentamente, mas de forma segura, avançam em direcção às empresas e às habitações, substituído progressivamente os cabos de pares e também os cabos coaxiais. Até o último grande bastião dos pares de cobre, os derradeiros 100m até ao equipamento terminal, terá os dias contados à medida que as fibras ópticas plásticas estabilizarem do ponto de vista tecnológico e normativo.

Neste mesmo âmbito, é importante enquadrar que, nos últimos 100m existem outros competidores contra os cabos de pares de cobre que são o próprio preço do cobre que cada vez mais o torna um metal precioso e banalização das tecnologias de comunicação sem fios (WiFi).