Capitulo_1 - Portal IFSC SJ

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
UNIDADE DE SÃO JOSÉ
DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICAÇÕES E REDES
MULTIMÍDEA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS DE
TELECOMUNICAÇÕES
Disciplina: SOP3607 – Sistemas Ópticos
Professor: Marcio Henrique Doniak
Horário:
São José, Janeiro de 2009.
Sistemas Ópticos
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CAPÍTULO 1: Introdução aos Sistemas Ópticos
Este capítulo envolve uma contextualização dos sistemas ópticos e os
principais conceitos que os envolvem. O principal objetivo ao final deste capítulo é
que o aluno seja capaz de responder o questionamento: “O que é LUZ?”.
1. Contextualização Histórica
A primeira forma de comunicação por luz, pode-se dizer que é a comunicação
dos seres humanos através de gestos. Pois, os movimentos do corpo humano
interrompem o fluxo luminoso, alterando o fluxo luminoso que chega aos olhos do
observador. Ou seja, esses movimentos modulam a intensidade do feixe luminoso,
permitindo que o cérebro processe a mensagem recebida.
Esse tipo de comunicação condiciona as duas pessoas estarem próximas
uma da outra. No caso de distâncias maiores, sem a visada direta entre quem está
transmitindo e quem está recebendo o sinal, um sistema óptico posteriormente
utilizado foi o sinal de fumaça. Neste caso, a mensagem é enviada variando-se o
padrão da fumaça emergente do fogo. Mas da mesma forma que os gestos, a
fumaça é transportada para o receptor pela luz solar. Neste caso, há a necessidade
de um método de codificação para que as mensagens possam ser corretamente
entendidas entre o transmissor e o receptor.
1870: O físico inglês John Tyndall demonstrou o princípio do guiamento da
luz, através de uma experiência que consistia em injetar luz em um jato d’água de
um recipiente, verificando que a luz percorria o interior do jato em sua trajetória
parabólica.
Figura 1.1.1: Princípio do guiamento de luz.
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Ao iluminar um balde transparente, de onde escapa um jato d’água por meio
de um furo lateral, conforme a Figura 1.1.1, o jato fica da mesma cor que a luz
incidente sobre o balde.
1880: Alexander Graham Bell patenteou o fotofone, sistema que possibilitou a
primeira transmissão de voz, através da luz não guiada. A transmissão era feita a
uma distância de 200 metros entre o transmissor e o receptor. Apesar de funcionar
muito bem, o fotofone nunca obteve sucesso comercial.
1893: no Brasil o padre Landell de Moura inventou o telefone sem fio,
baseado na emissão de luz branca, originada em um arco voltaico, que era
modulada pela voz do locutor.
1960: a invenção do laser é um fato marcante, pois conduziu às
comunicações ópticas de grande capacidade. O laser é uma fonte de radiação
óptica, de largura espectral estreita, conveniente para ser usada como portadora de
informação. Os lasers são comparáveis às fontes de radiofreqüência utilizadas nos
sistemas convencionais de comunicações. O laser foi inventado pelo físico Theodore
Maiman no Hughes Research Laboratory.
1966: Charles Kao e Charles Hockham, na Inglaterra, propuseram a utilização
da fibra de vidro (fibras ópticas) para a transmissão da luz do laser. Nesta época as
fibras apresentavam uma atenuação da ordem de 1.000 dB/km. E acreditava-se que
esta atenuação era uma propriedade intrínseca do material.
1970: A empresa Corning Glass apresentou uma fibra óptica com perdas
realmente baixas para a época, da ordem de 17 dB/km. A partir de então, os
sistemas ópticos tornaram-se uma realidade prática.
Atualmente, projetar um enlace óptico com alcance de 200 km para uma taxa
de transmissão óptica de 2,5 Gbps, é um fato corriqueiro.
2. Sistema Óptico Básico de Comunicação
Um sistema básico de transmissão por fibra óptica consiste em um
transmissor óptico, um cabo de fibras ópticas e um receptor óptico.
O transmissor óptico é o responsável por gerar o feixe de luz modulado pela
informação. O dispositivo emissor de luz pode ser um LED (Light Emitting Diode –
Diodo Emissor de Luz) ou um LD (Laser Diode – Diodo à Laser). A luz emitida é
acoplada à fibra óptica. Nesse acoplamento, uma parcela significativa da potência
luminosa é perdida. E durante a propagação na fibra óptica o feixe é atenuado em
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função da própria fibra e de outros elementos presentes no sistema (tais como:
conectores, emendas, acopladores etc). A distorção também é uma das
responsáveis pela deformação do feixe de luz.
Assim, o projeto de um sistema de transmissão óptica consiste em especificar
todos os componentes, para que a informação possa chegar ao destino desejado de
acordo com a taxa de transmissão fornecida, com uma taxa de erro de bits dentro
dos limiares aceitáveis. Lembrando que quando se fala em transmissão digital, a
qualidade do sinal é medida pela taxa de erro de bits, já no caso de um sinal
analógico, esta é medida pela relação sinal-ruído, que deve estar acima do valor
mínimo aceitável.
3. Natureza da Luz
A velocidade da luz é uma constante definida como:
c  3  108 m / s
(Equação 1.3.1)
A partir desta constante, pode-se calcular a freqüência da luz, f, para um
determinado comprimento de onda, λ:

c
f
(Equação 1.3.2)
Um sinal na faixa de microondas possui freqüência de alguns gigahertz
(GHz), isto é, 109 Hz. Portanto, a freqüência da luz é da ordem de cem mil vezes
maior que a freqüência de microondas. Considerando que a capacidade de
transporte de um sinal é, em primeira instância, proporcional à sua freqüência,
constata-se que a capacidade de transporte da luz é enorme, isto é, cerca de cem
mil vezes maior que a de um sinal microondas.
Exemplo 1.3.1: Considere a capacidade de transporte de um sinal de
frequência fc seja igual a 1% fc. Calcule a quantidade de canais de voz que podem
ser transmitidos simultaneamente por um sinal luminoso, com comprimento de onda
de 1µm.
Solução: f c 
c
c

3  108
 3  1014 Hz
6
1  10
A capacidade de transporte é 1% fc, logo:
fT  0,01  f c  3  1012 Hz
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Sabendo que o sinal de voz está na faixa de frequência de 300 – 3400 Hz, e
considerando o teorema de Nyquist, o canal de voz é de 8kHz. Assim, a quantidade
de canais de voz que podem ser transmitidos é igual a:
N canais 
3  1012
 375  106 , ou seja, 375 milhões de canais de voz.
8  103
Esse simples exemplo mostrou o potencial de um único feixe luminoso. Mas
do ponto de vista prático, ainda se esta bem longe desses valores teóricos obtidos.
Porém, os sistemas ópticos de comunicação mostram-se muito superiores a outros
sistemas comumente usados, tais como: cabos coaxiais, sem fio etc.
Ainda está pendente quatro perguntas básicas:

Qual é a natureza da luz?

A luz é um raio?

A luz é uma onda?

A luz é uma partícula?
Por mais óbvia e pouco esclarecedora que seja, a melhor resposta é: luz é
luz.
A luz é um fenômeno da natureza que para ser explicado necessita de
modelos adequados.
O conceito de raio, onda e partícula são, portanto, modelos criados pela física
na tentativa de explicar os fenômenos luminosos. Todo e qualquer modelo jamais é
a realidade, mas apenas uma representação da mesma, e com limites de validade
bem definidos.
Assim, o raio luminoso é a representação da luz segundo o modelo da óptica
geométrica; a onda, é a representação da luz segundo o modelo da óptica física; e a
partícula segundo o modelo da física quântica. Para cada situação, deve-se escolher
o modelo mais adequado.
4. Natureza Ondulatória da Luz
Muitos fenômenos luminosos podem ser explicados pela óptica física, que
trata a luz como onda eletromagnética, com frequência muito alta e comprimento de
onda muito curto. A Figura 1.4.1 mostra as freqüências do espectro eletromagnético.
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Figura 1.4.1: Freqüências do espectro eletromagnético.
Os termos óptico e luz são utilizados para indicar freqüências nas regiões do
infravermelho, visível e ultravioleta.
As fibras de vidro não são boas transmissoras de luz na região visível. Elas
atenuam a luz com tanta intensidade, que somente enlaces muito curtos são viáveis.
As perdas na região do ultravioleta são ainda maiores. Já na região do
infravermelho, entretanto, há duas regiões nas quais as fibras de vidro são bastante
eficientes: para comprimentos de onda próximos a 0,85µm e na faixa de 1,1 até
1,6µm.
No vácuo, as ondas eletromagnéticas se propagam a uma velocidade de
c  3  108 m / s . Nos meios materiais, a velocidade da luz se modifica: ela depende do
material e da estrutura de guiamento que pode estar presente. O comprimento e a
frequência estão relacionados pela Equação 1.4.1. Sendo que v é a velocidade de
propagação da luz no meio material.

v
f
(Equação 1.4.1)
A frequência do sinal luminoso é determinada pela fonte emissora de luz e
não se modifica quando a luz atravessa de um material para outro. Em vez disso, a
diferença de velocidade de propagação causa uma mudança no comprimento de
onda, de acordo com a Equação 1.4.1.
5. Estrutura Básica de um Sistema de Fibras Ópticas
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O sistema básico de transmissão por fibras ópticas está representado na
figura abaixo, mostrando as principais partes do enlace óptico.
Figura 1.5.1: Enlace de comunicação óptica.
O sistema apresentado na Figura 1.5.1 é composto por:

Fibra óptica: É o meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor
de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Ela é formada por um
núcleo de material dielétrico (em geral vidro) e por uma casca de material
dielétrico (plástico ou vidro). Esta estrutura é encapsulada por plásticos de
proteção mecânica e ambiental.

Conector óptico: Responsável pela conexão do emissor óptico à fibra
óptica, e da fibra óptica ao detector óptico.

Transmissor: É formado por um dispositivo emissor de luz e um circuito
eletrônico. O dispositivo emissor de luz realiza a conversão eletro-óptica
dos sinais, sendo em geral um diodo laser ou um diodo eletroluminescente
(LED). O Driver é um circuito eletrônico responsável pelo controle da
polarização elétrica e da potência luminosa transmitida pelo dispositivo
emissor.

Receptor: Formado por um dispositivo fotodetector e um estágio de
interface com a saída. O dispositivo fotodetector tem a função de detecção
e conversão do sinal luminoso em sinal elétrico. Ele pode ser um diodo
PIN ou um fotodiodo de avalanche (APD). O estágio de interface com a
saída é um circuito eletrônico que tem a função básica de filtrar e
amplificar o sinal convertido.
Em comunicações ópticas, assim como nos sistemas eletromagnéticos,
existem dois tipos de modulação:
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
Modulação Analógica: Onde a intensidade do feixe de luz portador varia
continuamente.

Modulação Digital: A variação da portadora luminosa é discreta, na forma
de pulsos luminosos.
O desempenho dos sistemas com modulação digital é superior ao dos
sistemas com modulação analógica, uma vez que:
 Apresentam maior banda passante;
 Não necessitam de uma fonte luminosa que opere linearmente em altas
frequências;
 Trabalham com maiores relações sinal-ruído.
Por mais simples ou mais complexos que sejam, todos os sistemas de
transmissão por fibras ópticas possuem as partes apresentadas na Figura 1.5.1:
fibra óptica, conectores, transmissor e receptor.
6. Vantagens e Desvantagens das Fibras Ópticas
Sendo construída por materiais dielétricos, como a sílica, as fibras ópticas
apresentam grandes vantagens, quando comparadas aos meios convencionais de
transmissão.
6.1 Vantagens
6.1.1 Baixas Perdas
As fibras ópticas possuem perdas (atenuação de sinal) menores que as
apresentadas pelos cabos em pares metálicos, cabos coaxiais e guias de onda
milimétricas. A sua atenuação está na faixa de 0,35 a 0,50 dB/km, para um λ=0,85
µm. Com valores baixos de atenuação é possível realizar conexões entre sistemas
afastados até 200 km sem regeneração, o que aumenta aproximadamente em 4
vezes a distância máxima entre estações repetidoras, se compararmos com os
sistemas de microondas eletromagnéticas. Na região com comprimento de onda
entre 1 e 1,7 µm, com exceção do comprimento de onda de 1,4 µm, as perdas são
da ordem de 1dB/km.
A claridade de um dia com atmosfera limpa é equivalente a 1 dB/km de perda.
A menor perda já obtida em fibras ópticas é de 0,2 dB/km. Isto equivale ao
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reconhecimento pelo olho humano de um objeto a uma distância de cerca de 100
km. Esta característica inerente da fibra óptica possibilita enlaces de maiores
distâncias, que assim exigem poucos repetidores ou regeneradores de sinal,
representando uma diminuição dos investimentos do sistema, e de gastos com a
manutenção dos repetidores. As atenuações típicas em vários meios de
comunicação em função da frequência de radiação são apresentadas na Figura
1.6.1.
Figura 1.6.1: Perdas nos meios de transmissão.
As perdas nas linhas metálicas de transmissão aumentam rapidamente com a
frequência. Em altas frequências, o comprimento dos enlaces e o espaçamento
entre repetidores são significativamente menores para sistemas metálicos em
relação a sistemas com fibras.
6.1.2 Largura de Banda
A elevada largura de banda da fibra óptica permite futuras expansões do
sistema, com maior capacidade de transmissão, superando (e muito) os sistemas de
transmissão por cabos metálicos. Teoricamente, a fibra óptica permite uma
capacidade de transmissão dez mil vezes maior que os sistemas de microondas. O
aumento da banda passante implica em um maior número de canais de voz e/ou de
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dados em um mesmo circuito. A maior banda passante da fibra óptica ocorre devido
a sua faixa de frequência de transmissão ser muito mais elevada do que as dos
demais sistemas.
A fibra óptica possui uma faixa de uso potencial da ordem de 10 12Hz (1THz),
conforme visto no exemplo 3.1. Este valor ainda está muito distante de ser usado na
pratica. O uso de todo o potencial de banda que a fibra óptica permite está limitado
pelos componentes do transmissor e do receptor.
A capacidade de transmissão de vários tipos de cabos está indicada na
Tabela 1.6.1. Observe que a capacidade dos cabos de fibras ópticas é maior do que
qualquer outro tipo de cabo. E como ela varia desde poucos canais até um grande
número de canais, o projeto de um sistema utilizando cabos ópticos é bastante
flexível.
MEIO DE TRANSMISSÃO
CANAIS DE COMUNICAÇÃO
Cabos de pares trançados
1 a 3.000
Cabos coaxiais
1.000 a 100.000
Guias milimétricas
300.000
Cabos ópticos
500 a 2.000.000
Tabela 1.6.1: Capacidade de transmissão dos vários tipos de cabos.
6.1.3 Pequenas Dimensões
Comparados com os cabos em pares trançados ou com os cabos coaxiais, os
cabos ópticos possuem dimensões reduzidas, para a mesma capacidade de
transmissão. Permitindo ocupar menos espaço onde quer que sejam instalados.
Assim, os cabos ópticos são muito atrativos para aplicações onde o espaço é
limitado, por exemplo, em aviões, navios, dutos cheios etc, propiciando também,
facilidade e agilidade de instalação.
6.1.4 Imunidade à Interferência Eletromagnética
Por serem compostas de material dielétrico, ao contrário dos suportes de
transmissão metálicos (par trançado e cabo coaxial), as fibras ópticas não sofrem
interferências eletromagnéticas. Além disso, o excelente confinamento dos sinais
dentro das fibras impede a interferência óptica entre cabos próximos, eliminando os
ruídos oriundos da diafonia. Baseando-se nisto, a sua principal aplicação se torna
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necessária em sistemas que podem sofrer degradações causadas por descargas
atmosféricas e instalações elétricas de alta tensão, inserindo ruído no meio de
transmissão.
6.1.5 Isolação Elétrica
O material dielétrico da fibra óptica é responsável pelo excelente isolamento
elétrico entre os receptores e transmissores. Assim, não existem problemas de
aterramento e interface entre componentes do sistema, mesmo quando instalados
em prédios diferentes. Devido sua característica dielétrica, que isola eletricamente
os terminais de comunicação, não há necessidade do uso de dispositivos de
proteção contra surtos (centelhadores), possibilitando a sua utilização em áreas cuja
atmosfera é explosiva, pois as fibras ópticas não produzem faísca.
6.1.6 Baixo Peso
A fibra óptica pesa aproximadamente 30 g/km, e se comparar com um cabo
coaxial, o cabo óptico é dez vezes mais leve. Esse fator simplifica a instalação
quando o peso é um fator relevante.
Ao realizar comparações econômicas do cabo de fibra óptica com outros
sistemas, devem-se incluir os custos de instalação, operação e manutenção. Para
enlaces longos os cabos ópticos são mais baratos no transporte e mais fáceis de
instalar do que os cabos metálicos. Isso ocorre porque as fibras são menores e mais
leves.
Um dos cabos disponíveis comercialmente tem uma fibra com 125 µm de
diâmetro, envolta por uma capa plástica com diâmetro externo de 2,5 mm. O peso
deste cabo é de 6 kg/km e sua perda é de 5 dB/km.
O cabo coaxial RG-19/U tem uma atenuação de 22,6 dB/km quando
transporta um sinal de 100 MHz. Seu diâmetro externo é de 28,4 mm e seu peso é
de 1.110 kg/km.
Nesse caso, as vantagens significativas de tamanho e peso das fibras ópticas
ficam evidentes.
6.1.7 Resistência Física e Flexibilidade
As fibras ópticas são surpreendentemente fortes e flexíveis. Algumas fibras
são tão finas que são enroladas ao redor de curvas de apenas alguns centímetros
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de diâmetro. A flexibilidade da fibra é atraente para instalações contendo muitas
voltas ao longo do caminho de transmissão. Quando há raios de grande curvatura,
as fibras guiam a luz com perdas desprezíveis. Há, entretanto, alguma perda no
tocante a raios de curvatura muito pequena.
Quando uma fibra é protegida, sendo, por exemplo, encapsulada em uma
capa plástica, torna-se difícil dobrar o cabo em um raio suficientemente pequeno
sem que ela se quebre. Porém, a adição de uma capa plástica aumenta a
resistência à tensão da linha de transmissão.
Apesar da aparente fragilidade do vidro, os cabos de fibra óptica são bastante
robustos e fáceis de manusear.
6.1.8 Maior Segurança da Informação
Como praticamente não existe irradiação da luz propagada e a realização de
derivações do sinal luminoso é de fácil detecção, os sistemas ópticos apresentam
maior segurança quanto à detecção de “intrusos” no sistema. Ou seja, devido à
impossibilidade de colocar e retirar sinais ópticos ao longo da fibra óptica sem
prejudicar o sistema, torna este sistema altamente sigiloso e seguro.
6.1.9 Alta
Resistência
a
Agentes
Químicos
e
a
Variações
de
Temperatura
Corrosões provocadas por água ou agentes químicos são menos severas
para o vidro do que para o cobre. Entretanto, a água pode penetrar no vidro. Para
aplicações submarinas, as fibras são encapsuladas dentro de cabos que as
protegem da água.
As fibras de vidro podem suportar temperaturas muito elevadas antes de
deteriorarem. Temperaturas próximas a 800ºC não afetam a fibra de vidro. O
plástico de revestimento do cabo, entretanto, pode derreter, distorcendo-a. Essa
distorção aumenta as perdas da fibra.
6.2 Desvantagens

Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamento;

Dificuldade de conexão das fibras ópticas devido às pequenas dimensões;

Acopladores tipo T (derivação) com perdas muito altas;

Impossibilidade de alimentação remota dos repetidores;
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
Falta de padronização das conexões;

Alto custo para implementação.
7. Aplicações dos Sistemas de Comunicação Óptica
Devido as suas características, as fibras ópticas são adequadas para a
comunicação tanto de longa como de curta distância.
7.1 Comunicação à Longa Distância
Como as fibras ópticas possuem uma atenuação inferior a 0,5 dB/km e uma
velocidade de transmissão superior a 1Gbps, elas são muito usadas para
transmissão telefônica, de dados ou televisão entre grandes cidades. Redes de
comunicação por fibras ópticas são usadas para interligar países e continentes.
Nesses casos, são utilizados regeneradores eletrônicos ou então, amplificadores
ópticos, para ampliar ainda mais o alcance das transmissões. A Figura 1.7.1 mostra
a estrutura de um enlace por fibras ópticas para longa distância.
Figura 1.7.1: Sistema de comunicação por fibra óptica de longa distância.
O número necessário de regeneradores ou de amplificadores ópticos é
proporcional ao comprimento total do enlace e da velocidade de transmissão
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empregada. Outros fatores também influenciam esse número, como o transmissor, o
receptor e a fibra utilizada, e se é empregada multiplexação por comprimento de
onda (WDM).
Para longas distâncias e grandes velocidades de transmissão, utilizam-se
lasers como transmissores, com comprimento de onda de 1,31 µm ou 1,55 µm, para
aproveitar o melhor desempenho das fibras ópticas nessas radiações. A transmissão
em 1,31 µm diminui o espalhamento dos pulsos, o que favorece uma maior
velocidade de transmissão. A transmissão em 1,55 µm favorece um alcance maior,
porque nesse comprimento de onda a fibra óptica tem sua menor atenuação. A fibra
óptica utilizada para longas distâncias é do tipo monomodo, de sílica.
Uma outra aplicação bastante comum em grandes distâncias é a aplicação de
cabos ópticos em linhas de transmissão elétricas, numa tecnologia conhecida como
OPGW (Óptica Protection Ground Wire), ou seja, seriam cabos de pará-raios com
cabos ópticos no seu interior.
7.2 Comunicação à Curta Distância
O uso de fibras nas comunicações à curta distância se justifica nas seguintes
situações:

Quando a velocidade de transmissão é muito elevada;

Quando a quantidade de ruído é alta, impedindo o uso de cabos
metálicos;

Quando a atenuação nos cabos metálicos obriga a utilização de
regeneradores.
Um exemplo da aplicação de fibras ópticas à curta distância é nas redes de
telefonia celular. Seu uso é indicado nas ligações ponto a ponto com distâncias
superiores a 1500m. As fibras ópticas para curtas distâncias não necessitam de
regeneradores, tornando o sistema mais econômico que os cabos metálicos. Estes
precisam de regeneradores para distâncias maiores que 1500m. A Figura 1.7.2
ilustra uma rede em anel interligando as estações rádio-base (ERB) com a central de
comutação celular (CCC). A CCC conecta-se as ERB’s por meio de fibras ópticas
formando um anel óptico.
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Figura 1.7.2: Exemplo de aplicação de transmissão por fibras ópticas para
transmissões à curta distância em uma rede de telefonia celular.
Outra aplicação à curta distância é nos sistemas locais que envolvem
transmissão de dados, geralmente em forma digital, intra ou entre prédios
pertencentes à mesma organização. Os serviços de acesso podem ser ponto a
ponto (ligações terminais a um servidor) ou ponto a multiponto (ligando um
distribuidor óptico a vários pavimentos ou redes locais de computadores (LAN)).
A tecnologia de transmissão associada às redes locais de computadores
usando fibras ópticas é conhecida como FO-LAN. A Figura 1.7.3 mostra a
interligação entre dois prédios, através de dois multiplexadores.
Figura 1.7.3: Interligação entre dois prédios por fibra óptica.
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7.3 Redes Industriais
Esta é uma outra aplicação das fibras ópticas em curta distância. Nesse caso,
pode ser utilizada uma fibra óptica de plástico, de grande diâmetro (1mm), e com
propagação multímodo. Esse tipo de fibra oferece a vantagem de ser mais
econômica que a fibra de sílica já que se conecta aos transmissores e receptores
ópticos com maior facilidade. Sua velocidade de transmissão é comparável à dos
cabos metálicos. A grande vantagem da fibra é a imunidade a perturbações em
ambientes hostis ou poluídos de interferência como usinas, subestações e usinas
elétricas, industriais siderúrgicas, laboratórios etc, que afetariam outros meios de
interligação.
8. Exercícios
9. Referências Bibliográficas
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