Estudos sobre Fibras Ópticas

Meu amigo Ricardo Moraes esteve fazendo um estudo sobre o uso de Enlaces de fibra óptica entre prédios localizados no mesmo terreno.

Constatou que apesar de caros, são sempre a melhor alternativa por possuirem características únicas de operação.

Embora Enlaces sem fio são mais baratos (ele mesmo é um defensor das “WLans”), dependendo do tipo de uso que se propõe neste tipo de rede ele pode se tornar inviável mesmo a curtíssimas distâncias.

Assim, ele compartilha conosco este estudo que pode servir de orientação e consulta sobre a utilização de fibras ópticas, seus tipos e aplicabilidades.

Bons estudos…

Considerações sobre fibras ópticas:

• Porque utilizar fibra óptica? Quais são suas aplicações?

O uso crescente da fibra óptica vem mudando dramaticamente o mundo das telecomunicações. Ao longo de todo o planeta, a fibra óptica vem substituindo os cabos convencionais de cobre, como os cabos “pares trançados” e os cabos coaxiais.

Atualmente, fibras ópticas para telecomunicações podem ser encontradas em toda parte. Muitas operadoras de telefonia de longa distância, assim como, operadoras locais e empresas de TV à cabo, possuem sistemas instalados com base em fibras ópticas. A maior quantidade de fibra instalada para a comunicação global pode ser encontrada em sistemas submarinos e cabos submersos no oceano conectando os cinco continentes.

Muitas empresas de geração de energia elétrica estão instalando fibras para substituir os antigos sistemas de microondas de baixa capacidade.

Concessionárias de rodovias também utilizam fibras ópticas, criando assim as chamadas “rodovias inteligentes”, as quais oferecem serviços como cobrança automática de pedágio e informações em tempo real sobre o tráfego.

As fibras ópticas também podem ser encontradas em redes internas de computadores de alta velocidade (LANs).

O uso de fibras ópticas por operadoras de longa distância, assim como operadoras locais e provedores de redes de acesso vêm se tornando cada vez mais comum devido às vantagens significativas das fibras ópticas.

As fibras ópticas também são muito utilizadas por empresas que querem agilizar a comunicação no campus corporativo. Atualmente, redes corporativas de alta velocidade conectam com segurança e robustez os sistemas corporativos, reduzindo o tempo de comunicação entre departamentos e aumentando o fluxo de informação entre a mesa do funcionário e a central de armazenamento de dados.

• Quais as vantagens das fibras ópticas sobre os cabos de cobre?

Os cabos “pares trançados” e os cabos coaxiais estão rapidamente sendo substituídos por fibras ópticas por diversas razões.

Através das fibras ópticas, um sistema de comunicação possuirá uma maior capacidade de transmissão de informação ou largura de banda (largura de banda é uma medida da capacidade de uma fibra óptica transmitir dados). Além de uma maior largura de banda, as fibras ópticas podem transmitir dados numa velocidade muito maior e são de fácil instalação.

Uma primeira razão para o uso de fibras no lugar dos cabos de cobre é a perda na potência do sinal transmitido. Os sinais que são transmitidos através de uma fibra óptica experimentam menor atenuação (ou perda da potência dos sinais) e, portanto, podem viajar por distâncias muito maiores. Mesmo para distância relativamente curtas, as fibras ópticas ainda se sobressaem aos cabos de cobre mais avançados.

A velocidade, taxa e capacidade de transmitir informação de uma fibra óptica é maior que qualquer sistema baseado em cabos de cobre. De outra maneira, podemos dizer que a fibra óptica transmite muito mais informação, em taxas muito maiores e por distância muito maiores.

Um par de fibras ópticas, cujo diâmetro pode ser comparado com o de um fio de cabelo, pode transmitir 2.5 milhões ou mais de chamadas telefônicas ao mesmo tempo. Um cabo de cobre com a mesma capacidade teria um diâmetro da ordem de 6 m!

Além disso, as fibras ópticas são mais fáceis de serem instaladas. Nas cidades mais populosas, a infra-estrutura já instalada para cabos de cobre não oferece mais espaço para a adição de novos cabos. Comparado com os cabos de cobre, os cabos de fibra óptica são mais leves, resistentes e de fácil instalação.Além disso, para sistemas de mesma capacidade, os cabos de fibras exigem muito menos conexões.

Se instalada corretamente, as fibras ópticas sofrem menos deterioração do que os fios de cobre. As fibras ópticas são mais seguras e reduzem significantemente os custos com manutenção. As fibras ópticas também são imunes a radiação eletromagnética. Dessa maneira, os sinais propagados não sofrem interferências de geradores elétricos, motores, linhas elétricas de alta potência, relâmpagos que freqüentemente são causadores de ruídos nas linhas de transmissão baseadas em cabos de cobre.

• O que é uma fibra óptica e como ela funciona?

A fibra óptica é um guia de onda dielétrico na forma de um filamento flexível, comparável a um fio de cabelo, feito com vidro de alta pureza. As fibras ópticas são capazes de transmitir informações na forma de luz. A fibra óptica é formada basicamente por um núcleo de vidro (onde a luz é guiada) e uma casca, também feita de vidro, que ajuda a dar uma maior resistência mecânica à fibra. A diferença no índice de refração do vidro e casca é tal que a luz fica confinada dentro do núcleo segundo os princípios da reflexão interna total da luz. A fibra é protegida por uma cobertura plástica (acrilato).

O núcleo típico de uma fibra óptica varia de 8 a 62.5 µm. O uso específico de uma fibra depende do diâmetro de seu núcleo.

O diâmetro da casca pode ser qualquer um, mas comercialmente, a indústria tomou como padrão o valor de 125 µm. Da mesma forma, o valor do diâmetro externo da cobertura de acrilato é da ordem de 245 – 250 µm.

Os dois elementos básicos de uma fibra óptica são o núcleo e a casca. O núcleo é a parte da fibra onde a luz viaja, enquanto a casca, que cerca o núcleo. A diferença entre o índice de refração do núcleo e a casca é menor que 0.5 %, sendo que o núcleo possui o maior índice. A luz que se propaga no núcleo quando atinge a interface com a casca é refletida novamente para o centro do núcleo ficando dessa forma aprisionada pelo princípio da reflexão interna total.

• Quais são os tipos básicos de fibras ópticas?

Existem dois tipos básicos de fibras ópticas: fibra monomodo e fibra multimodo. A luz numa fibra óptica monomodo só pode viajar num único modo. Já nas fibras multimodo, a luz pode se propagar em diversos modos possíveis.

• O que é Modo?

Os modos de propagação são “caminhos” específicos por onde a luz pode viajar dentro do núcleo da fibra. Matematicamente, um modo é uma das diversas soluções das equações de Maxwell para a propagação da luz em meios dielétricos.

A luz pode viajar dentro da fibra por um único caminho possível. Nesse caso a fibra é denominada monomodo. Fibras que permitem a propagação da luz em diversos modos são denominadas de fibras multimodo.

O modo em que a fibra viaja depende da geometria da fibra, do perfil de índice de refração da fibra e do comprimento de onda da luz.

• O que é dispersão?

Geralmente a luz que propaga numa fibra óptica é injetada na forma de um pulso. Ao longo da propagação, os pulsos ópticos vão se espalhando, ou alargando temporalmente. Esse fenômeno é conhecido com dispersão. A dispersão faz com que os pulsos cheguem ao final da fibra com uma largura maior do que a inicial.

• Quantos tipos de fibras monomodo existem? Quais são suas aplicações?

Atualmente podemos classificar as fibras monomodos em três grupos : fibras monomodo convencionais ITU-T G.652 (Standard Monomode Fiber – SMF), fibras de dispersão deslocada ITU-T G.653 (Dispersion Shifted Fiber – DSF) e fibras de dispersão deslocada não nula ITU-T G.655 (Non Zero Dispersion Shifted Fiber – NZDF).

As fibras ITU-T G.652 foram as primeiras a serem construídas. Esses tipos de fibras foram otimizadas para operarem na janela de 1310 nm. Para sinais nesse comprimento de onda, as fibras convencionais apresentam dispersão nula e baixa atenuação. Praticamente todos os sistemas de comunicações do início da década de 1980 possuíam fontes que operavam nesse comprimento de onda. Esse tipo de fibra vem sendo fabricado desde o início dos anos 80 e é o tipo de fibra monomodo mais instalada no mundo inteiro. Apesar de estar otimizada para operação em 1310 nm, essa fibra também permite a operação na janela de 1550 nm, quando a dispersão não é um fator limitante para o sistema.

No meio da década de 80, surgiram os primeiros amplificadores a fibra dopada com érbium (AFDEs). Esses amplificadores são capazes de amplificar sinais em torno de 1550 nm, coincidentemente a mesma região espectral onde as fibras apresentam a menor atenuação possível. Por essa razão, foi interessante migrar a região de operação dos sistemas de 1310 nm para a região de 1550 nm, onde os amplificadores poderiam ser utilizados e como conseqüência os sistemas poderiam cobrir distâncias muito maiores. Por esse motivo, foram desenvolvidas as fibras ITU-T G.653. Essas fibras possuem dispersão nula na região de 1550 nm, i.e., um sinal com comprimento de onda em 1550 nm propagando nessa fibra não sofrerá os efeitos da dispersão. Somando o efeito nulo da dispersão, com o mínimo de atenuação e o uso dos AFDEs, os sistemas baseados em fibras de dispersão deslocada puderam cobrir distâncias nunca antes imaginadas.

Para sistemas que utilizam apenas um único canal (único laser), as fibras ITU-T G.653 são excelentes. No entanto, a utilização de apenas um único canal não é o melhor aproveitamento da largura de banda de uma fibra óptica. Mais recentemente, no início da década de 1990, surgiram os sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexed), que consistem na utilização de diversos canais numa mesma fibra óptica. Com isso, os sistemas tiveram a capacidade total de transmissão multiplicada. Quanto maior o número de canais utilizados, maior a capacidade agregada do sistema. Contudo, ao se aumentar o número de canais na fibra também se aumenta a potência luminosa total dentro da fibra. Dado que o núcleo da fibra é muito pequeno, a intensidade da luz dentro do núcleo também é muito maior o que torna o sistema susceptível ao aparecimento dos efeitos não-lineares. Os efeitos não lineares ocorrem em qualquer tipo de fibra óptica. Especialmente nas fibras DS, onde a dispersão é nula, esses efeitos ocorrem com muito mais intensidade. O efeito não-linear mais conhecido é o Four Wave Mixing (FWM), ou mistura de quatro ondas. Esse efeito faz com que dois ou mais canais se misturem gerando sinais em outros comprimentos de onda. Esses sinais gerados agem com ruído para o sistema, tornando inviável a recepção dos sinais. Por esses motivos, a produção das fibras DS foi descontinuada por muitos fabricantes, que em seu lugar, desenvolveram as fibras ITU-T G.655 chamadas de fibras de dispersão deslocada não-nula (NZDFs). As NZDFs, são atualmente as fibras mais avançadas para aplicações em telecomunicações. A diferença entre as DSFs e as NZDFs é que as ultimas apresentam uma pequena dispersão suficiente para evitar os efeitos não lineares, mas ainda pequena o suficiente para não causar penalidades no sistema pelo alargamento dos pulsos.

As fibras NZDs podem ser encontradas comercialmente apresentando tanto dispersão positiva ou negativa na região de 1550 nm e são uma evolução das fibras DS. A Telcon não utiliza fibras DS em seus cabos dado que as mesmas não são mais fabricadas.

A aplicação das fibras monomodo vão desde sistemas de ultra-longa distância (~1000 km), como os sistemas submarinos e terrestres, assim como os sistemas de telefonia regionais, acesso e serviços de TV a cabo (~100 km).

• Ao escolher uma fibra monomodo, quais os principais parâmetros devo levar em consideração?

As fibras monomodo são utilizadas em aplicações cuja distância típica pode variar de algumas dezenas até alguns milhares de kms. Por isso, os parâmetros da fibra responsáveis por efeitos cumulativos são mais importantes que os demais. Por isso, os principais parâmetros a serem observados são a atenuação e a dispersão.

A atenuação faz com que a potência dos sinais ópticos que viajam pela fibra vá diminuindo com a propagação. Essa perda de energia é causada principalmente pela absorção das moléculas que constituem o vidro e o valor depende do comprimento de onda dos sinais utilizados. Uma fibra típica, apresenta atenuação de 0.2 dB/km em 1550 nm e 0.35 dB/km em 1310 nm. Mais recentemente, novos sistemas passaram a exigir a especificação em outros comprimentos de onda como 1383 nm e 1625 nm. Fibras que apresentam atenuação em 1383 nm menor que 0.4 dB/km são denominadas fibras de “baixo pico d’água”. Esse tipo de fibra é uma evolução das fibras monomodo convencionais e já se tornaram padrão no mercado.

Assim como o valor da atenuação, a dispersão da fibra é fator decisivo no desenho de um sistema. A dispersão causa o alargamento dos pulsos (bits) causando erros no receptor. Uma fibra SMF possui dispersão nula em 1310 nm e uma dispersão entre 17 -18 ps/nm.km em 1550 nm. Uma fibra NZD positiva ou negativa, possui dispersão em módulo entre 4 – 7 ps/nm.km em 1550 nm.

Uma outra fonte de dispersão é o PMD (Polarization Mode Dispersion). O PMD surge devido a dependência do índice de refração da fibra com a polarização da luz. Essa dependência existe por que durante o processo de fabricação, a fibra sofre variações de tensão que por sua vez causam uma birrefringência no núcleo. Como a polarização da luz na fibra não é mantida constante, os pulsos acabam se alargando porque diferentes porções da luz experimentam diferentes valores de índice de refração. Geralmente esse efeito é pequeno e só é um fator limitante para sistemas de alta taxa (> 10 Gpbs). Os valores típicos de PMD estão entre 0.1 – 0.3 ps/Ökm.

• Quantos tipos de fibras multimodo existem? Quais são suas aplicações?

Podemos encontrar no mercado dois tipos de fibras multimodo: fibras MM com núcleo de 50 µm de diâmetro e fibras MM com núcleo de 62.5 µm de diâmetro.

A diferença entre as fibras monomodo e as fibras multimodo é que estas possuem núcleo de diâmetro muito maior permitindo a propagação da luz em vários modos.

As fibras multimodo não podem ser utilizadas em aplicações cujas distâncias ultrapassem 2 km. O fator que limita a distância na utilização dessas fibras é a dispersão modal. Esse tipo de dispersão só ocorre nas fibras multimodo. Quando um pulso óptico é injetado numa fibra multimodo, diversos modos de propagação são excitados fazendo com que partes do pulso percorram caminhos diferentes na fibra. Assim, as componentes do pulso que viajaram nos modos de menor distância chegarão ao final da fibra mais rapidamente que as demais, causando um grande alargamento no pulso. A distância máxima permitida para o uso de uma determinada fibra multimodo depende da largura de banda da fibra e da taxa de transmissão utilizada.

As principais aplicações das fibras multimodo são as redes internas de computadores (LANs) e demais aplicações de curta distância como as redes corporativas e Data Centers.

Os sistemas que utilizam fibras multimodo, geralmente possuem LEDs (600 – 850 nm) ou VCSELs (tipo de laser mais simples e barato com operação em 850 nm ou 1300 nm) como fonte luminosa.

• Ao escolher uma fibra multimodo, quais os principais parâmetros devo levar em consideração?

Para as fibras multimodo, os principais parâmetros a serem considerados são o diâmetro do núcleo e a largura de banda. No mercado, encontramos fibras multimodo com núcleo de 50 µm ou 62.5 µm.

A largura de banda de uma fibra multimodo é medida em MHz.km e depende do núcleo da fibra. Geralmente as fibras de 50 µm apresentam maior largura de banda que as fibras de 62.5 µm. Esses valores estão tipicamente entre 200 – 400 MHz.km para as fibras multimodo de 62.5 µm e entre 300 – 2000 MHz para as fibras 50 µm.

Algumas fibras multimodo apresentam perfil de índice otimizado para a operação com fontes laser ou VCSELs. Essas fibras foram desenvolvidas levando em consideração as diferenças nas fontes transmissoras. A luz de um LED se espalha muito mais pelo núcleo da fibra, de maneira que falhas no perfil de índice da fibra não representam grandes problemas. No caso de um laser ou um VCSEL, a luz se concentra principalmente na região central do núcleo, o que torna as variações no perfil de índice próximo ao centro do núcleo mais preocupantes. Essas fibras são fabricadas com um controle mais rigoroso do perfil de índice e podem apresentar larguras de banda da ordem de 4000 MHz.km. Estas são as fibras ideais para aplicações de alta taxa como as chamadas redes Gigabit Ethernet.

• 50 µm ou 62.5 µm? Qual fibra multimodo escolher?

A escolha entre os dois tipos de fibra multimodo depende mais da compatibilidade entre os equipamentos do sistema como conectores e racks do que com alguma aplicação em especial.

Apesar das fibras de 50 µm terem sido as primeiras a serem desenvolvidas, foram as fibras de 62.5 µm que tomaram inicialmente a liderança no mercado. Esse fato ocorreu porque há algumas décadas, um bom acoplamento ou conexão entre fibras ainda era um desafio. Como as fibras de 62.5 µm possuem um núcleo maior, as conexões e emendas eram facilitadas. Apesar disso, as fibras de 50 µm se tornaram os padrões em países como Alemanha e Japão.

Hoje em dia, acoplamento e emendas de fibras multimodo não são mais desafios para o instalador. Por essa razão e por apresentar maior largura de banda, as fibras de 50 µm deverão brevemente se tornar o padrão mundial de fibra multimodo.