sistemas ópticos

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Campus São José – Área de Telecomunicações
Curso Superior Tecnológico em Sistemas de Telecomunicações
SISTEMAS ÓPTICOS
Prof. Marcio Henrique Doniak
[email protected]
www.sj.ifsc.edu.br/~mdoniak
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http://groups.google.com/group/ifsc_sistemas_opticos
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HISTÓRICO
• A 1ª forma de comunicação por luz, é a comunicação através de gestos;
• 1870: o físico inglês John Tyndall demonstrou o princípio do guiamento da luz:
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HISTÓRICO
• 1880: Alexander Graham Bell patenteou o fotofone, sistema que possibilitou a 1ª
transmissão de voz, através da luz não guiada. Apesar do bom funcionamento, não
teve sucesso comercial;
• 1893: no Brasil o padre Landell de Moura inventou o telefone sem fio, baseado
na emissão de luz branca, originada de um arco voltaico, que era modulada pela
voz do locutor;
• 1966: proposta a utilização da fibra de vidro (fibras ópticas) para transmissão da
luz do laser. Nesta época as fibras apresentavam uma atenuação da ordem de
1000 dB/km;
• 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.
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HISTÓRICO
• 1978: são fabricadas fibras ópticas com perdas menores do que 1,5 dB/km, para
as mais diversas aplicações;
• 1988: o 1º cabo submarino de fibras ópticas mergulhou no oceano e deu início a
superestrada da informação;
• 2001: a fibra óptica já movimenta cerca de 30 bilhões de dólares anuais;
• Atualmente: projetar um enlace óptico com alcance de 200km para uma taxa de
transmissão óptica de 2,5 Gbps é um fato corriqueiro.
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NATUREZA DA LUZ
• A luz pode em alguns casos apresentar características de partículas (corpos
dotados de massa) e, em outros, de ondas (energia) ou ainda, em alguns casos,
aparecer como fótons, que aparece um raio ou partículas eletromagnéticas que se
movem em alta velocidade. Esta velocidade é tão extraordinariamente alta que sua
massa se apresenta nula. Por isso, é melhor tratá-los como pacotes de energia que
podem ser observados e medidos;
• Pela teoria da luz como partícula, podemos descrever o que ocorre com a
partícula quando ela é transmitida – o efeito fotoelétrico: descrevendo a luz ao
atingir a superfície de determinados sólidos causa a emissão de elétrons (fótons).
• É importante ter em mente que os feixes de luz passam uns pelos outros sem
causar distúrbios entre si.
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por André Gonçalves Campos, em “Fibras Ópticas – uma realidade reconhecida e aprovada”.
NATUREZA DA LUZ
• Velocidade da luz no vácuo:
c = 3 × 108 m / s
• Frequência da luz para um determinado comprimento de onda:
onde N é o índice de refração do meio
• Frequências do espectro magnético:
6
f =
c
N
λ
NATUREZA DA LUZ
• Capacidade de transporte de informação de uma fibra óptica:
Considerando que a capacidade de transporte de um sinal é, em 1ª instância,
proporcional à sua freqüência, constata-se que a capacidade de transporte da luz é
enorme, isto é, cerca de 100 mil vezes maior que a de um sinal microondas.
Exemplo: 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 1,3µm.
Solução:
c
3 × 108
12
fc =
=
=
230
,
77
×
10
Hz = 230THz
−6
λ c 1,3 × 10
A capacidade de transporte é:
fT = 1% × f c = 0,01× 230,77 × 1012 = 2,3THz
7
NATUREZA DA LUZ
Considerando um canal de voz de 64 kHz, a quantidade de canais de voz que
podem ser transmitidos é igual a:
N canais
fT
2,3 × 1012
6
=
=
=
36
×
10
= 36milhões
3
BWcanal
64 × 10
Este 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.
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ESTRUTURA BÁSICA
• 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;
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ESTRUTURA BÁSICA
• 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. O estágio de interface com a saída é um circuito
eletrônico que tem a função básica de filtrar e amplificar o sinal convertido.
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ESTRUTURA BÁSICA
Em comunicações ópticas, assim como nos sistemas eletromagnéticos, existem
dois tipos de modulação:
• 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.
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VANTAGENS
• Baixas perdas: chega a ser inferior a 0,3 dB/km;
As atenuações típicas em diferentes meios de comunicação:
12
VANTAGENS
• Largura de banda: 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 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;
• 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;
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VANTAGENS
• 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. 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;
• Imunidade à interferência eletromagnética: Por serem compostas de material
dielétrico, ao contrário dos suportes de transmissão metálicos, 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;
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VANTAGENS
• 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. Também pode ser utilizada em
áreas cuja atmosfera é explosiva, pois as fibras ópticas não produzem faísca;
• 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 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.
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VANTAGENS
• 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;
• 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. As fibras ópticas 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, provocando perdas. 16
DESVANTAGENS
• Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamento;
• Dificuldade de conexão das fibras ópticas devido às pequenas dimensões;
• Acopladores do tipo T (derivação) com perdas muito altas;
• Impossibilidade de alimentação remota dos repetidores;
• Alto custo para implementação;
• Falta de padronização dos conectores (mas já está sendo padronizado!);
• Dificuldade de permissões de uso do solo, de posteação, torres e outras estrutura
de suporte;
• Dificuldade de alimentação até o assinante, no caso de voz, requerendo soluções
alternativas adicionais de no-breaks e baterias, que encarecem a instalação e a
manutenção interna.
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APLICAÇÕES
• COMUNICAÇÃO À LONGA DISTÂNCIA:
 Atenuação inferior a 0,3 dB/km;
 Velocidade de transmissão supera 1 Gbps;
 Usada para interligar países e continentes;
 Utiliza-se regeneradores eletrônicos (ou amplificadores ópticos);
 Utiliza-se laser como transmissores;
 Comprimento de onda de 1,31 µm ou 1,55 µm;
 Fibra do tipo monomodo, de silica.
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APLICAÇÕES
• COMUNICAÇÃO À LONGA DISTÂNCIA:
19
APLICAÇÕES
• 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.
Em redes de telefonia celular é utilizado quando a distância entre estações rádiobase é superior a 1500m, o que obriga, no caso dos cabos PCM metálico usarem
regeneradores.
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APLICAÇÕES
• COMUNICAÇÃO À CURTA DISTÂNCIA:
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APLICAÇÕES
• 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.
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ONDA ELETROMAGNÉTICA
• Sempre que houver um campo magnético variando no tempo, surgirá um campo
elétrico induzido, de acordo com a lei de Faraday. Simetricamente, quando em uma
região existir um campo elétrico variando no tempo, surgirá um campo magnético
induzido, indicando que, no caso dinâmico, os campos elétrico e magnético são
grandezas indissociáveis, constituindo o chamado campo eletromagnético.
• Esta idéia foi proposta inicialmente por Maxwell em 1864, e comprovada pouco
tempo depois. O resultado é uma sucessão de campos elétrico e magnético que se
induzem mutuamente e se afastam da origem, constituindo uma onda
eletromagnética. O seu deslocamento é conhecido como propagação e garante a
transferência da energia eletromagnética de um ponto para outro ponto do meio.
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ONDA ELETROMAGNÉTICA
• Orientações do campo eletromagnético:
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COMPRIMENTO DE ONDA
• Por definição, o comprimento de onda λ é a distância necessária para introduzir
uma variação de fase de 2π radianos em uma onda senoidal propagando no meio
especificado. Como o fator de fase β representa a modificação de fase por unidade
de deslocamento, tem-se:
2π
β λ = 2π ∴ λ =
β
Multiplicando e dividindo a expressão anterior pela frequência f, aparecerá no
numerador a frequência angular νp. A relação entre a frequência angular e o fator
de fase é a velocidade de fase na direção de propagação, assim pode-se redefinir
o comprimento de onda como:
λ =
ν
p
f
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COMPRIMENTO DE ONDA
• As expressões mostradas, possuem fatores que dependem das características do
material: o fator de fase e a velocidade de fase. Logo, uma onda eletromagnética
com frequência fixa altera seu comprimento de onda ao passar de um material para
outro. Quanto maior for a velocidade de propagação, maior será o seu
comprimento de onda.
• A velocidade de fase máxima, quando medida na direção de propagação,
coincide com a velocidade da luz no vácuo, o cálculo com este valor levará ao
comprimento de onda máximo medido nessa direção.
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ÍNDICE DE REFRAÇÃO
• A velocidade de propagação da onda eletromagnética em outros meios ilimitados
é menor do que o valor no vácuo. A maior parte dos materiais tem características
magnéticas semelhantes ou muito próximas à do vácuo. Nesses casos, a
velocidade de propagação fica na dependência das propriedades dielétricas do
meio. Este parâmetro é variável com a frequência, principalmente quando se refere
aos valores muito elevados, como na faixa de microondas, de ondas milimétricas e
nas faixas ópticas. O número que relaciona a velocidade no vácuo com a
velocidade em outro meio qualquer é conhecido como índice de refração (N):
N=
c
ν
p
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• A velocidade de propagação da onda eletromagnética em outros meios ilimitados
é menor do que o valor no vácuo. A maior parte dos materiais tem características
magnéticas semelhantes ou muito próximas à do vácuo. Nesses casos, a
velocidade de propagação fica na dependência das propriedades dielétricas do
meio. Este parâmetro é variável com a frequência, principalmente quando se refere
aos valores muito elevados, como na faixa de microondas, de ondas milimétricas e
nas faixas ópticas. O número que relaciona a velocidade no vácuo com a
velocidade em outro meio qualquer é conhecido como índice de refração (N):
N=
c
ν
p
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• As equações de Maxwell mostram que um campo eletromagnético, ao incidir na
fronteira entre dois meios, faz surgir duas outras ondas. Parte da energia retorna
ao primeiro meio, formando a onda refletida, e a outra parte é transferida ao
segundo meio, constituindo a onda refratada ou transmitida.
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• A primeira lei da reflexão diz que os vetores que representam as direções de
propagação das ondas incidente e refletida estão contidos em um mesmo plano,
denominado plano de incidência, normal ao plano de separação entre os dois
meios.
• A segunda lei da reflexão estabelece que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo
de incidência:
θi = θr
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• A lei de Snell ou lei da refração mostra que o ângulo da onda refratada faz com
a normal à superfície de separação está relacionado com o ângulo de incidência
dado por:
senθ i N 2
=
senθ t
N1
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• Exemplo 1: Um determinado feixe óptico vindo do ar (N1 = 1,00029) incide sobre
uma região formada por quartzo fundido (N2 = 1,46). O ângulo que o feixe óptico
no ar faz com a normal é de 58º. Calcule o ângulo de refração na região de maior
densidade óptica.
Solução: Pela lei de Snell,
Logo,
senθ i N 2 sen(58° )
1,46
=
∴
=
senθ t
N1
senθ t
1,00029
senθ t = 0,5810 ∴ θ t = 35,5°
Conclusão: Nota-se que o ângulo de refração ficou menor do que o ângulo de
incidência, aproximando-se da normal. Isso ocorreu devido o segundo meio ser
mais denso do que o primeiro.
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• Exemplo 2: Uma onda eletromagnética presente em um meio com índice de
refração igual a 1,33, incide em outro meio, o ar. O ângulo de incidência em
relação a normal é de 45º. Calcule o ângulo com o qual a onda eletromagnética
emerge do meio incidente para o ar.
Solução: Pela lei de Snell,
senθ i
senθ t
=
N2
N1
∴
sen( 45° ) 1,00029
=
∴ senθ t × 1,00029 = sen45° × 1,33
senθ t
1,33
senθ t = 0,9402 ∴ θ t = 70,1°
Conclusão: Quando uma onda incide em um meio com menor densidade o ângulo
com a normal será maior do que o de incidência, fazendo com que a direção de
propagação da onda refratada, aproxime-se da superfície de separação dos meios.
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• Conforme foi visto nos dois exemplos, o ângulo de refração cresce à medida que
o ângulo de incidência aumenta. E, quando o meio 1 for mais denso que o meio 2
(N1 > N2), o ângulo de refração aumenta. Assim, existirá um valor para o qual o
ângulo de refração resulta em 90º. Neste caso, o campo eletromagnético no
segundo meio tende a se propagar paralelamente a essa superfície. Logo, não
haverá mais transmissão de energia para dentro do segundo meio e a onda será
totalmente refletida ao primeiro meio. O ângulo de incidência que satisfaz esta
condição é denominado ângulo crítico (θc). Para determinar o ângulo crítico,
deve-se atribuir 90º ao ângulo de refração, logo:
N2
senθ c =
N1
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
Para ocorrer a reflexão total devem, obrigatoriamente, existir 2 situações:
• O raio incidente deve ir do meio mais denso para o menos denso;
• O ângulo de incidência deve ser maior que o ângulo crítico.
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REFLEXÃO E REFRAÇÃO
• Outra observação importante, quando o raio incidente for perpendicular a
superfície de separação dos meios, o mesmo não sofre mudança de direção.
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