Como funciona: Fibra Óptica

Assim como diversas tecnologias de comunicação que utilizamos hoje, a história da fibra óptica é marcada por grandes avanços e experiências inusitadas. Os fios de transmissão de feixes de luz permitem trocas de dados em alta velocidade, conectando pessoas e serviços em todo o mundo num piscar de olhos. Se você quer conhecer mais sobre a história e o funcionamento dessa tecnologia, esse post é para você!

O que é fibra óptica?

Fibra óptica é um filamento flexível e transparente fabricado a partir de vidro ou plástico extrudido e que é utilizado como condutor de elevado rendimento de luz, imagens ou impulsos codificados. Tem diâmetro de alguns micrômetros, ligeiramente superior ao de um fio de cabelo humano.  Por ser um material que não sofre interferências eletromagnéticas, a fibra ótica possui uma grande importância em sistemas de comunicação de dados.

Inicialmente as fibras ópticas eram utilizadas como guias de transmissão de sinais óticos e operavam entre distâncias limitadas, pois apresentavam grande perda de luz na transmissão, alto calor que os lasers produziam e tinham problemas com as emendas. Contudo, em meados dos anos 70, ocorreu um aprimoramento significativo das técnicas ópticas utilizadas, e devido a isso, tornou-se possível a monitoração de grandezas e a troca de informações a longas distâncias.

Fonte: Wikipédia

Há dois tipos de denominação recorrentes às fibras óticas, os quais possuem características e finalidades próprias. Um deles é a fibra óptica monomodo, que apresenta apenas um caminho possível de propagação e é a mais utilizada em transmissão a longas distâncias (devido a baixas perdas de informação). Já a fibra multimodo permite a propagação da luz em diversos modos e é a mais utilizada em redes locais (LAN), devido ao seu custo moderado.

As fibras ópticas consistem, geralmente, de um núcleo central cilíndrico e transparente de vidro puro, o qual é envolvido por uma camada de material com menor índice de refração (fator que viabiliza a reflexão total). Ou seja, a fibra óptica é composta por um material com maior índice de refração (núcleo) envolto por um material com menor índice de refração (casca). Ao redor da casca ainda há uma capa feita de material plástico necessária para proteger o interior contra danos mecânicos.

 

 

História

A ideia de que a luz poderia ser transportada por meio de ambientes com curvas foi apresentada pelo pesquisador Jhon Tyndal (1820-1893) à Royal Society. Por meio de um experimento feito com o auxílio de uma lanterna e um balde com água furado, a luz escorria junto com a água, como se tivesse sido dobrada. Foi com base nesse princípio que, 82 anos depois, a fibra óptica seria criada.

A invenção, que data de 1956, foi feita a partir das pesquisas de Narinder Singh Kapany. Aos 25 anos, o físico fez os primeiros experimentos que levariam à criação do fio encapsulado capaz de propagar a luz com baixas taxas de perda. Kapany tentava obter o PhD em Ótica na Universidade de Londres estudando a reflexão total interna da luz, assunto que o interessava desde a infância. É por meio da reflexão total que a água foi capaz de fazer uma “curva” no experimento clássico de Tyndal. O estudo desse fenômeno busca entender o que faz a luz, em um ambiente de alta refração, ser refletida dentro de um mesmo ambiente ou passar para outro meio. Ao tentar “aprisionar” a luz em um meio, o físico empregou dois cilindros, um dentro do outro. Ao longo dos estudos, o físico percebeu que uma película de vidro com índice de refração inferior ao do cilindro iria funcionar como um espelho. Isso fez com que a luz, ao entrar dentro do cilindro, fosse refletida independente do seu ângulo de incidência. Independente da curvatura do tubo, a luz só escaparia na outra ponta do cilindro.

O desafio agora era potencializar o uso do princípio em larga escala. O primeiro passo era diminuir o tamanho dos tubos. Ao deixá-los tão finos quanto um fio de cabelo, era possível aumentar a quantidade de fios em um mesmo lugar. Além disso, era necessário encontrar um material que fosse semelhante ao vidro, mas maleável. A solução foi a fibra de vidro, largamente conhecida naquela época.

Aqui apresentamos alguns fatos da história da fibra óptica:

1961 O Dr. Elias Snitzer, da Americal Optical (USA), divulgou um trabalho explicando como seria a Fibra Óptica, embora naquela época, não se tivesse a tecnologia para fabricá-la.
1964 Os Doutores Charles Kuen Kao e G. A. Hockham, do Laboratório da Standard Telecommunications – ITT (UK), enviaram a British Association for the Advancement of Science uma especificação de requisitos necessários para uma que Fibra Óptica pudesse ser usada como um guia de ondas em Redes de Telecomunicações de Longa Distância, ao invés de cabos metálicos.

Nesta especificação, para que uma Fibra Óptica pudesse ser usada com êxito, a perda ou atenuação da luz que se propagava, devia ser no mínimo da ordem de 20 dB por km (decibéis por quilômetro). Nesta época as perdas nas Fibras Ópticas então disponíveis, eram da ordem de 1.000 dB / km.

Os Drs. Kao e Hockham também preconizaram a necessidade de se ter um vidro de altíssima pureza na fabricação da Fibra Óptica como forma de reduzir as perdas ou atenuação da luz propagante.

1970 Uma equipe da Corning Glass Works (USA), constituída por Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, conseguiu atender a especificação de requisitos apresentada pelos Drs. Kao e Hockham; fabricando uma Fibra Óptica com atenuação da ordem de 20 dB por km e a patentearam chamando-a de Guia de Fibra Óptica (Optical Waveguide Fiber).
1972 A Corning já conseguia fabricar, em pequena escala, para testes em laboratório, Fibras Ópticas com atenuações da ordem de 4 dB por km. Hoje em dia as atenuações das Fibras Ópticas, dependendo dos comprimentos de onda utilizados, situam-se entre 0,2 e 0,4 dB por km.
1975 Com este desenvolvimento, tornaram-se possíveis Sistemas de Telecomunicações Ópticos e assim em 1975 foi instalado para a Polícia de Dorset, na Inglaterra, o primeiro link de Fibra Óptica, operando comercialmente. A escolha de um link de Fibra Óptica deveu-se ao fato que um raio tinha anteriormente danificado todo o Sistema de Telecomunicações do Departamento Policial e pesou na escolha deste sistema o fato de que a Fibra Óptica é imune a descargas elétricas e interferências elétricas. Neste mesmo ano o Governo Americano interligou com Fibras Ópticas a Rede Local do Sistema NORAD (Sistema de Defesa) localizados no interior da Montanha Cheyenne.
1976 Foi implantado pela Western Electric em Atlanta, um link de Fibra Óptica com extensão de 2,5 km, para voz, dados e imagens, á uma taxa de 44,7 Mb/s (Megabits por segundo).
1977 Foi instalado pela Bell, no centro de Chicago, utilizando um cabo multi fibras, a primeira Rede Óptica de uma Empresa de Telecomunicações. Tinha a capacidade de transportar 54 Mb/s e a distância entre os Centros Telefônicos era de 2,6 km. Neste mesmo ano foi instalado pela General Telephone and Electronics um Sistema Óptico de 6 Mb/s em Long Beach, Califórnia.
1980 O Sistema Bell inaugura em 1980 a primeira Rede Óptica Nacional, interligando a Capital Washington à cidade de Cambridge, no estado de Massachusetts.
1988 Em Dezembro de 1988, foi inaugurada a primeira Rede Óptica Internacional, pelo lançamento do Cabo Óptico Submarino TAT – 8, usando Laser de 1,3 micrômetros em Fibra Monomodo.
1991 No início de 1991, a NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) no Japão, demonstrou a transmissão de Solitons, através de um milhão de quilômetros de Fibra Óptica.
2002 Mais de trinta anos se passaram, desde a fabricação da primeira Fibra Óptica, e neste ano mais de 80 % de todo tráfego do mundo, é escoado através de Fibras Ópticas, sendo a sua utilização cada vez maior.

Como funciona a fibra óptica?

O funcionamento desses cabos ocorre de forma bem simples. Cada filamento que constitui o cabo de fibra óptica é basicamente formado por um núcleo central de vidro, por onde ocorre a transmissão da luz, que possui alto índice de refração e de uma casca envolvente, também feita de vidro, porém com índice de refração menor em relação ao núcleo. Em uma das extremidades do cabo óptico é lançado um feixe de luz que, pelas características ópticas da fibra, percorre todo o cabo por meio de sucessivas reflexões até chegar ao seu destino final. As reflexões ocorrem na superfície de separação entre os dois vidros que  formam o cabo e dessa maneira a luz caminha, podendo percorrer vários quilômetros de distância. Como elas são utilizadas como meio de transmissão de ondas eletromagnéticas — como a luz, por exemplo — elas são feitas em vidro porque esse material absorve menos essas ondas.

A transmissão de informações pela fibra óptica ocorre através de um aparelho especial denominado de infoduto, que possui um fotoemissor que faz a conversão da luz em sinais elétricos. A luz que é refletida no interior do cabo óptico pode ser transformada em sinal elétrico, sonoro ou até mesmo luminoso, dependendo da informação que é transmitida.

Fonte: Tecmundo

Você imagina como é um cabo de fibra óptica por dentro? Ele não é construído apenas com a fibra de vidro e o revestimento plástico, há várias camadas que fazem parte da estrutura essencial dele. Vamos agora explicar um pouco mais sobre cada uma das camadas que compõe a fibra óptica.

Proteção plástica

Como todo cabo, a fibra óptica também precisa de proteção externa, para evitar que o desgaste natural ou as situações anômalas do tempo representem interferências no sistema e, geralmente, essa camada de proteção é composta por plásticos.

Fibra de fortalecimento

Logo abaixo da camada plástica, existe uma fibra de fortalecimento, bastante parecida com a que existe em cabos coaxiais de transmissão de sinal de televisão, utilizada para proteger a fibra de vidro de quebras que podem acontecer em situações de torção do cabo ou impactos no transporte.Se a camada de fortalecimento não existisse, qualquer movimento brusco que atingisse os cabos de fibra óptica resultaria na quebra da fibra principal e, consequentemente, na perda total do sinal transmitido.

Revestimento interno

Também chamado de “Coating”, o revestimento interno tem função similar à das fibras de fortalecimento. É ele que isola todos os impactos externos e também evita que a luz natural atinja as fibras de vidro internas, o que poderia resultar em interferências muito fortes em qualquer que seja o sinal.

Camada de refração

Nas duas camadas mais internas, ocorre a parte mais importante do processo de transmissão de luz. Cobrindo o filete de fibra de vidro, a camada de refração (ou “Cadding”) é responsável pela propagação de todos os feixes, evitando que existam perdas no decorrer dos trajetos.

Núcleo

Também chamado de “Core”. Em suma, é onde realmente ocorre a transmissão dos pulsos de luz. Construído em vidro, é por ele que a luz viaja em suas longas distâncias.

Multimodo e monomodo

Os dois nomes que abrem este tópico representam os dois principais modelos de fibras ópticas existentes atualmente. Eles são diferenciados em vários aspectos, desde o custo de produção até as melhores possibilidades de aplicação.

Monomodo

1. Núcleo: 8 µm diâmetro. 2. Revestimento: 125 µm diâmetro. 3. Amortecedor: 250 µm diâmetro. 4. Proteção: 400 µm diâmetro. Fonte: Wikipédia

 

Como o nome já diz, as fibras monomodo só podem atender a um sinal por vez. Ou seja, uma única fonte de luz (na maior parte das vezes, laser) envia as informações por enormes distâncias. As fibras monomodo apresentam menos dispersão, por isso pode haver distâncias muito grandes entre retransmissores.Teoricamente, até 80 quilômetros podem separar dois transmissores, mas na prática eles são um pouco mais próximos. Outra vantagem das fibras desse tipo é a largura da banda oferecida, que garante velocidades maiores na troca de informações.

 

 

 

Multimodo

Fibras multimodo garantem a emissão de vários sinais ao mesmo tempo (geralmente utilizam LEDs para a emissão). Esse tipo de fibra é mais recomendado para transmissões de curtas distâncias, pois garante apenas 300 metros de transmissões sem perdas. Elas são mais recomendadas para redes domésticas porque são muito mais baratas.

Vantagens e Desvantagens da fibra óptica

Vantagens

  • Banda passante teoricamente enorme;
  • Atenuação muito baixa;
  • Imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos;
  • Isolamento elétrico;
  • Compacidade;
  • Segurança;
  • Baixo custo potencial;
  • Possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura.

Desvantagens

  • Fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas;
  • Dificuldade para conexão;
  • Dificuldade para ramificações;
  • Impossibilidade de alimentação remota: requer alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.
  • Acopladores de tipo “T” sofrem com perdas muito elevadas;
  • Falta de padronização dos componentes ópticos.

Atualidade

Na medicina há um vasto número de aplicações, destacando-se o primitivo Fiberscope, com o objetivo de observar e iluminar o interior do corpo humano. Hoje em dia, além dos aparelhos de imagens (como exames de endoscopia e cirurgias), há sensores de temperatura, pressão, pH, e de vazão sanguínea.

Na área das pesquisas espaciais, a fibra óptica é utilizada em um aparelho de telescópio especialmente projetado para fazer as observações simultâneas dos astros.

Nas telecomunicações a fibra óptica é largamente utilizada para transmitir sinais por meio de pulsos eletromagnéticos, como:

  • Gigabit Ethernet: é o Ethernet padrão projetado para atingir escalas de outra ordem de magnitude, chegando a taxas de transferência de 1Gbps.
  • Rede telefônica: a fibra óptica  interliga centrais de tráfego interurbano ou centrais telefônicas urbanas, variando de pequenas distâncias até centenas de quilômetros. Com elas é possível  atender uma demanda crescente e ser uma alternativa para redes subterrâneas congestionadas.
  • Cabos Submarinos e Televisão por Cabo (CATV): Ao contrário dos cabos convencionais, que requerem repetidores (aparelho de alto custo que “reenvia” o sinal quando perdido) a cada 10 km, com as fibras ópticas essa distância entre repetidores pode ser aumentada para mais de 100 km. Além disso a fibra óptica tem grande capacidade de transmissão.

Na indústria, as fibras ópticas são utilizadas principalmente em sistemas de telemetria, graças à sua resistência e supervisão de controle de processos.

Na automobilística, as aplicações das fibras vão desde o controle do motor e da transmissão até os acessórios secundários (controle de janelas e portas, aquecimento e refrigeração de ar, entre outros).

No cotidiano a fibra óptica é pouco utilizada, no entanto pode ser encontrada na confecção de alguns artigos de decoração e em certos tipos de brinquedos.

Futuro

Novo formato de fibra óptica

Normalmente, a fibra ótica separa diferentes linhas de informações binárias por frequências. Assim, um ramo da espessura de um fio de cabelo pode alimentar diversos computadores sem misturar os fluxos de naturezas diferentes. Agora, os pesquisadores sugerem a multiplicação dessa capacidade com a criação de novos modos de transmissão. A proposta dos cientistas é simples: os raios de transmissão giram como um tornado ou um saca-rolhas. Assim, se um raio seguir em uma direção ou amplitude, outro que mantenha uma trajetória diferente pode ser transmitido naquele mesmo espaço.

Fonte: EM

A velocidade impensável da Internet

Um grupo de cientistas e pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda, e da Universidade da Flórida Central, nos Estados Unidos, conseguiu a marca de 255 Tbps – ou 32 TB por segundo – na velocidade de transferência de arquivos.

Autonomia das conexões

Pesquisadores do Instituto Qualcomm, nos Estados Unidos, descobriram um modo de oferecer acesso à internet em locais extremamente remotos. Eles conseguiram aumentar em vinte vezes a capacidade do sinal óptico, que atingiu 7400 milhas (11.909 km) de distância sem precisar de um repetidor.Outro exemplo, agora no Brasil, é o CPqD que quebrou seu próprio recorde em transmissão óptica coerente sem repetição. O novo recorde utilizou 24 canais ópticos, na taxa de 400 Gb/s (por canal), a uma distância de 444 quilômetros.

Plano Banda Larga Para Todos

O objetivo do programa é universalizar o acesso à internet no Brasil  a uma média de velocidade de 25 Mbps. E como promover essa acessibilidade? Por meio da fibra óptica. Segundo reportagem do Valor Econômico, o programa objetiva ampliar a cobertura da rede de fibra para 70% dos municípios brasileiros até 2019.

Curiosidades

  • O termo Fibra Óptica foi empregado pela primeira vez em 1956, pelo Dr. N. S. Kapany que fazia parte de uma equipe do Laboratório Bell (USA), composta por ele e pelos Doutores, A. L. Schawlow e C. H. Townes, quando apresentaram os planos para a construção do primeiro LASER, a ser usado em Sistemas de Telecomunicações.
  • As fibras ópticas apresentam perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuações da ordem de 3 a 5 dB/km na janela de 850 nm até perdas inferiores a 0,2 dB/km na janela de 1550 nm. Dessa forma, é possível implementar sistemas com um espaçamento muito grande entre os repetidores, o que reduz brutalmente os custos do sistema.
  • Por serem feitas de materiais dielétricos, as fibras ópticas não sofrem com interferências eletromagnéticas. Esse fato pode tornar-se vantajoso, pois as fibras são imunes a pulsos eletromagnéticos, descargas elétricas atmosféricas e imunes a interferências causadas por outros aparelhos elétricos.
  • Quando uma fibra óptica se rompe, não há faíscas, riscos de curto-circuito e outras condições que podem constituir perigo.
  • As fibras ópticas não irradiam quase nada da luz que propagam. A maior parte das tentativas de captação de mensagens do interior da fibra é detectável, pois tais tentativas exigem que seja desviada uma quantidade significativa da potência luminosa que corre no interior da fibra. Isso é uma característica que garante segurança à informação transportada.Um outro fato, mais importante nas aplicações militares, é que as fibras ópticas não são detectáveis por sensores, como detectores de metais, o que dificulta sabotagens aos sistemas de comunicação que utilizam fibras ópticas.

Fontes

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