Fibras Ópticas

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Conceito

Fibras ópticas, simplificadamente, são fios que conduzem a potência luminosa injetada pelo emissor de luz, até o fotodetector. São estruturas transparentes, flexíveis, geralmente compostas por dois materiais dielétricos, tendo dimensões próximas a de um fio de cabelo humano.
Há uma região central na fibra óptica, por onde a luz passa, que é chamada de núcleo. O núcleo pode ser composto por um fio de vidro especial ou polímero que pode ter apenas 125 micrômetros de diâmetro nas fibras mais comuns e dimensões ainda menores em fibras mais sofisticadas.
Fibra Óptica ou Ótica, como também é conhecida, é o meio pelo qual a potência luminosa injetada pelo Emissor de Luz, é transmitida até o Fotodetector. Formada por um Núcleo de material dielétrico, geralmente Óxido de Silício (SiO2), dopado com Germânio, Fósforo e Alumínio para aumentar seu índice de refração, e por uma Casca de material dielétrico, podendo ser Sílica pura, com índice de refração ligeiramente inferior ao do Núcleo, o Cabo Ótico é protegido mecanicamente e ambientalmente por encapsulamentos (geralmente plásticos), conforme sua aplicação, podendo conter uma ou mais Fibras.

Arquivo:Fibra detalhamento.jpg
Exposição da Fibra Óptica em Camadas

Para confinar a luz dentro do Núcleo (fenômeno denominado Reflexão Total), a densidade ou índice de refração deve ser maior no Núcleo do que na Casca, variação que permite a reflexão da luz.
A Fibra Ótica transmite luz introduzida numa extremidade para a outra com pequena perda, devido a sequência de reflexões ao longo do caminho. Para exemplificar, imagine um tubo plástico de pequeno diâmetro, flexível e internamente espelhado. Em uma das pontas se injeta um Raio Laser, que é refletido ao longo de todo percurso pela superfície espelhada, mesmo nas curvas. Na outra ponta, o Raio Laser é detectado.
A luz, nos sistemas de Fibra óptica, é transmitida por variação de amplitude, existindo processos analógicos e digitais.

Com capacidade de transmissão 1 milhão de vezes maior do que a do Cabo Metálico, a Fibra Óptica é o principal meio de comunicação mundial.

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Mantendo somente Cabos Metálicos como condutores de informações, em certos casos seria mais rápido enviar uma pessoa para entregar a correspondência, do que transmitir tais dados.
Para transmitir um pacote de informações com 72Gb- que corresponde ao conteúdo de um disco rígido de 9Gb- a uma distância de 10Km, utilizando Cabo Metálico, seriam necessárias dez horas. Por Fibra Ótica seriam gastos apenas 7,2 segundos.
Analogamente, se num estádio de futebol lotado houvesse apenas uma pequena porta de saída, o tempo para esvaziá-lo seria muito maior do que utilizando diversos portões.

Funcionamento

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. A transmissão da luz pela fibra óptica segue o princípio da reflexão. 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.
Reflexão é quando a luz, propagando-se em um determinado meio, atinge uma superfície e retorna para o meio que estava se propagando.

PRINCÍPIOS DE TRANSMISSÃO
Para que os raios de luz sofram reflexão total na fronteira entre núcleo e casca e permaneçam confinados no interior do núcleo da fibra, eles devem ser injetados num determinado ângulo que seja inferior ao ângulo do cone de captação, conforme ilustra a figura a seguir. Qualquer raio de luz que entre na fibra com um ângulo maior que o ângulo do cone de captação será refratado e consequentemente perdido.

Arquivo:Figura-2.jpg

PROPAGAÇÃO DA LUZ
Raios de luz entram na fibra em diferentes ângulos e não seguem os mesmos caminhos. Os raios que entram no centro do núcleo da fibra com ângulo bem pequeno (praticamente horizontal) seguirão por um caminho relativamente direto pelo centro da fibra. Raios de luz que entram na fibra com elevado ângulo de incidência, seguirão por um caminho diferente, mais longo, e levarão mais tempo para atravessar a fibra. Cada caminho, resultante de um diferente ângulo de incidência, dará origem a um modo. Diferentes modos sofrerão diferentes atenuações enquanto trafegam ao longo da fibra.

VELOCIDADE
A velocidade da luz em um determinado meio depende do índice de refração daquele meio, que por sua vez é definido como:

h = c/v

Onde:

h – índice de refração do meio de transmissão

c – velocidade da luz no vácuo (3 x 108 m/s)

v – velocidade da luz no meio de transmissão

Valores típicos de h para o vidro (ou para a fibra óptica) estão na faixa de 1,45 a 1,55. Note que quanto maior o índice de refração, menor é a velocidade da luz no meio de transmissão.

Tipos

As fibras ópticas são classificadas em fibras multimodo ou monomodo, baseado na forma que a luz as percorre. O tipo de fibra está relacionado ao diâmetro do núcleo e da casca.
Arquivo:Figura-3.jpg

FIBRA MONOMODO
As fibras monomodo possuem vantagens em relação às fibras multimodo, principalmente em relação à atenuação e a largura de banda. O principal motivo é o seu núcleo, bem menor, que limita os modos de propagação da luz a apenas um, eliminando completamente o fenômeno da dispersão modal. Tipicamente uma fibra monomodo pode transportar sinais ópticos na faixa de 10 a 40 Gbps. Esse tráfego pode ser ainda maior caso se utilizem técnicas de modulação WDM (wavelenght division multiplexing).
Como principais desvantagens, as fibras monomodo exigem fontes de luz e sistemas de alinhamento mais precisos, portanto mais caros, para um acoplamento eficiente ao longo do link óptico. Além disso, técnicas de fusão e conectorização também se tornam mais complicadas e caras no universo das fibras monomodo. No entanto, para sistemas de comunicação de alto desempenho ou muito extensos, sem dúvida as fibras monomodo são a melhor escolha. As dimensões típicas de uma fibra monomodo variam de um núcleo de 8 a 12 um e uma casca de 125 um. O valor típico do índice de refração da fibra monomodo é de 1.465.
Arquivo:Figura-7.jpg

FIBRA MULTIMODO
As fibras multimodo, devido ao seu núcleo largo, permitem a transmissão da luz em diferentes caminhos (múltiplos modos) ao longo do link, tornando-a particularmente sensível à dispersão modal.
Dentre as vantagens das fibras multimodo estão sua facilidade de acoplamento às fontes de luz e às outras fibras (devido ao seu núcleo largo), a possibilidade de utilizar fontes de luz de baixo custo e a simplicidade dos processos de fusão e conectorização. Entretanto, possuem atenuação alta e largura de banda estreita, fatores que limitam sua utilização às curtas distâncias.
Arquivo:Figura-4.jpg

FIBRAS MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU
Fibras multimodo índice degrau possuem um índice de refração constante no interior do núcleo da fibra. A consequência desse fato é que os raios de luz sofrem reflexão total na fronteira entre o núcleo e a casca, percorrendo uma trajetória formada por segmentos de reta, conforme mostrado na figura abaixo:
Arquivo:Figura-5.jpg

FIBRAS MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL
Fibras multimodo índice gradual possuem um índice de refração não-uniforme, que diminui de valor gradualmente do centro do núcleo em direção à casca. A consequência dessa variação é que os raios de luz percorrem o interior da fibra seguindo uma trajetória senoidal, conforme mostrado na figura abaixo:
Arquivo:Figura-6.jpg

Benefícios

Dimensões Reduzidas;
Capacidade para transportar grandes quantidades de informação (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!);
Quantidade de dados passados potencialmente enormes, devido à menor dispersão de dados;
Perdas de transmissão muito baixas;
Imunidade às interferências eletromagnéticas e ao ruído;
Isolação eléctrica;
Pequeno tamanho e peso;
Matéria-prima muito abundante;
Segurança no sinal;
Facilidade na instalação;
Menos deterioração com o tempo comparando com os fios de cobre.
Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura.

Desvantagens

Custo elevado;
Fragilidade das fibras óticas sem encapsulamento;
Dificuldade para ramificações (Uma rede ponto a ponto seria mais viável, caso contrário as conexões tipo “T” sofrem com perdas muito elevadas de dados);
Impossibilidade de alimentação remota dos repetidores;
Falta de padronização dos componentes ópticos.

Referências bibliográficas

http://www.gta.ufrj.br/grad/08_1/wdm1/Fibraspticas-ConceitoseComposio.html
http://www.protecnos.com.br/artigos/conceitos-de-fibra-otica/
http://brasilescola.uol.com.br/fisica/fibra-optica.htm
http://www.tecmundo.com.br/web/1976-o-que-e-fibra-otica-.htm
https://telteq.wordpress.com/2014/12/23/principio-de-funcionamento-e-tipos-de-fibra-optica/
https://www.oficinadanet.com.br/artigo/redes/o-que-e-fibra-otica-e-como-funciona
http://tvdigitaltecno.blogspot.com.br/2010/03/vantagens-e-desvantagens-da-fibra.html