Sumário
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].
Como Funcionam as Fibras Ópticas
À semelhança de um cabo eléctrico, onde existe sempre uma 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
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).
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 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
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).
Bibliografia e referências
“Optical Fibers”, Takanori Okoshi, Academic Press, 1982;
“MANUAL ITED (Prescrições e Especificações Técnicas)”, ANACOM,, 1ª edição – Julho de 2004;
“Fibra óptica plástica é candidata às LAN”, Redes nº 102, Out./Nov./Dez. 2004. (http://www.redes.xl.pt/102/210.shtml );
“IEEE 1394.b: driving a new generation of vision systems”, Sony, 2005;
POF.Newsletter, Vol.16, Nº.3, Jun./Jul.2007;
“Ultrafast LEDs target POF datacoms”, pag.9, Declan O’Mahoney, Lightwave Europe, May 2005;
“Trends in Polymer Optical Fibers”, hans.poisel@fh-nuernberg.de;
“Plastic Optical Fibers Branch Out”, by Paul Polishuk, ppolishuk@igigroup.com;
http://www.luceat.it/inglese/what_is_pof.htm;
http://www.freespaceoptics.org/freespaceoptics/default.cfm;
http://www.pofeska.com/pofeskae/tece/homenet1e/homenet1e.htm;
http://fibers.org/articles/news/8/5/19/1;
http://www.i-fiberoptics.com/Fiber_optic_basic_cables_Fiber_Cable.php;
http://www.pofeska.com/pofeskae/tece/homenet1e/homenet2e/homenet2e.htm