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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOSECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICAInstituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa CatarinaCampus São José – Área de TelecomunicaçõesCurso Superior Tecnológico em Sistemas de Telecomunicações

SISTEMAS ÓPTICOS

Prof. Marcio Henrique Doniak

mdoniak@ifsc.edu.br

www.sj.ifsc.edu.br/~mdoniak

ifsc_sistemas_opticos@googlegroups.com

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.

por André Gonçalves Campos, em “Fibras Ópticas – uma realidade reconhecida e aprovada”.

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NATUREZA DA LUZ

• Velocidade da luz no vácuo:

• Frequência da luz para um determinado comprimento de onda:

onde N é o índice de refração do meio

• Frequências do espectro magnético:

smc /103 8×=

λNc

f =

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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:

A capacidade de transporte é:

THzHzcfc

c 2301077,230103,1103 12

6

8

=×=××== −λ

THzff cT 3,21077,23001,0%1 12 =××=×=

8

NATUREZA DA LUZ

Considerando um canal de voz de 64 kHz, a quantidade de canais de voz que

podem ser transmitidos é igual a:

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.

milhõesBWfNcanal

Tcanais 361036

1064103,2 6

3

12

=×=××==

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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:

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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.

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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:

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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 rádio-

base é superior a 1500m, o que obriga, no caso dos cabos PCM metálico usarem

regeneradores.

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APLICAÇÕES

• COMUNICAÇÃO À CURTA DISTÂNCIA:

22

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:

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:

βπλπβ λ 22 =∴=

fpν

λ =

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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):

p

cNν

=

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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):

p

cNν

=

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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:

ri θθ =

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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:

1

2

NN

sensen

t

i =θθ

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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,

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.

00029,146,1)58(

1

2 =°∴=tt

i

sensen

NN

sensen

θθθ

°=∴= 5,355810,0 ttsen θθ

33

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,

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.

33,14500029,133,100029,1)45(

1

2 ×°=×∴=°

∴= sensensensen

NN

sensen

ttt

i θθθ

θ

°=∴= 1,709402,0 ttsen θθ

34

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:

1

2

NNsen c =θ

35

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.