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Comunicação de fibra óptica: telecomunicações

Comunicação de fibra óptica: telecomunicações

A comunicação por fibra óptica revolucionou a indústria de telecomunicações. Ele também fez sua presença amplamente sentida na comunidade de rede de dados. Usando o cabo de fibra óptica, as comunicações ópticas permitiram que os links de telecomunicações fossem feitos em distâncias muito maiores e com níveis muito mais baixos de perda no meio de transmissão e, possivelmente, o mais importante de tudo, as comunicações de fibra óptica permitiram que taxas de dados muito mais altas fossem acomodadas.

Como resultado dessas vantagens, os sistemas de comunicação de fibra óptica são amplamente empregados para aplicações que vão desde a maior infraestrutura de backbone de telecomunicações até sistemas Ethernet, distribuição de banda larga e rede de dados em geral.

Desenvolvimento de fibra ótica

Desde os primeiros dias das telecomunicações, tem havido uma necessidade cada vez maior de transmitir mais dados ainda mais rápido. Inicialmente, foram usados ​​fios de linha simples. Isso deu lugar a cabos coaxiais que permitiam que vários canais fossem transmitidos pelo mesmo cabo. No entanto, esses sistemas eram limitados em largura de banda e sistemas ópticos foram investigados.

As comunicações ópticas tornaram-se uma possibilidade depois que os primeiros lasers foram desenvolvidos na década de 1960. A próxima peça do quebra-cabeça se encaixou quando as primeiras fibras ópticas com uma perda suficientemente baixa para fins de comunicação foram desenvolvidas na década de 1970. Então, durante o final dos anos 1970, uma quantidade considerável de pesquisas foi realizada. Isso resultou na instalação do primeiro sistema de telecomunicações de fibra óptica. Percorreu uma distância de 45 km e usou um comprimento de onda de 0,5 mm e tinha uma taxa de dados de apenas 45 Mbps - uma fração do que é possível hoje.

Desde então, melhorias consideráveis ​​foram feitas na tecnologia. As taxas de dados melhoraram e, além disso, o desempenho da fibra óptica foi melhorado para permitir que distâncias muito maiores sejam alcançadas entre os repetidores. Como uma indicação disso, as velocidades que agora podem ser alcançadas ao longo de um sistema de fibra óptica ultrapassam 10 Tbps.

Quando os primeiros sistemas de transmissão de fibra ótica estavam sendo desenvolvidos, pensava-se que o cabeamento e a tecnologia de fibra ótica seriam proibitivamente caros. No entanto, esse não foi o caso e os custos caíram a ponto de a fibra óptica agora ser a única opção viável para muitas aplicações de telecomunicações. Além disso, também é usado em muitas redes locais onde a velocidade é um requisito importante.

Vantagens da fibra óptica para comunicações

Há uma série de razões convincentes que levam à adoção generalizada de cabeamento de fibra óptica para aplicações de telecomunicações:

  • Níveis muito mais baixos de atenuação de sinal
  • O cabeamento de fibra óptica fornece uma largura de banda muito maior, permitindo que mais dados sejam entregues
  • Os cabos de fibra óptica são muito mais leves do que os cabos coaxiais que poderiam ser usados.
  • A fibra óptica não sofre de captação de interferência parasita que ocorre com o cabeamento coaxial

Sistema de transmissão de fibra óptica

Qualquer sistema de transmissão de dados de fibra óptica compreenderá vários elementos diferentes. Existem três elementos principais (marcados em negrito), e outro que é vital para sistemas práticos:

  • Transmissor (fonte de luz)
  • Cabo de fibra ótica
  • Repetidor óptico
  • Receptor (Detector)

Os diferentes elementos do sistema variam de acordo com a aplicação. Os sistemas usados ​​para links de baixa capacidade, possivelmente para redes locais, empregarão técnicas e componentes um tanto diferentes daqueles usados ​​por provedores de rede que fornecem taxas de dados extremamente altas em longas distâncias. No entanto, os princípios básicos são os mesmos em qualquer sistema.

No sistema, o transmissor da fonte de luz gera um fluxo de luz modulado para permitir que ele carregue os dados. Convencionalmente, um pulso de luz indica "1" e a ausência de luz indica "0". Esta luz é transmitida por uma fibra de vidro muito fina ou outro material adequado para ser apresentado no receptor ou detector. O detector converte os pulsos de luz em pulsos elétricos equivalentes. Desta forma, os dados podem ser transmitidos como luz a grandes distâncias.

Transmissor de fibra ótica

Embora os sistemas de fibra óptica de telecomunicações originais tivessem usado grandes lasers, hoje uma variedade de dispositivos semicondutores pode ser usada. Os dispositivos mais comumente usados ​​são diodos emissores de luz, LEDs e diodos de laser semicondutor.

O dispositivo transmissor mais simples é o LED. Sua principal vantagem é o baixo custo, o que o torna ideal para aplicações de baixo custo, onde apenas pequenas tiragens são necessárias. No entanto, eles têm várias desvantagens. A primeira é que eles oferecem um nível de eficiência muito baixo. Apenas cerca de 1% da potência de entrada entra na fibra óptica, e isso significa que drivers de alta potência seriam necessários para fornecer luz suficiente para permitir que as transmissões de longa distância fossem feitas. A outra desvantagem dos LEDs é que eles produzem o que é denominado luz incoerente, que cobre um espectro relativamente amplo. Normalmente, a largura espectral está entre 30 e 60 nm. Isso significa que qualquer dispersão cromática na fibra limitará a largura de banda do sistema.

Em vista de seu desempenho, os LEDs são usados ​​principalmente em aplicações de rede de área local onde as taxas de dados estão normalmente na faixa de 10-100 Mb / se as distâncias de transmissão são de alguns quilômetros.

Onde níveis mais altos de desempenho são necessários, ou seja, é necessário que o link de fibra óptica possa operar em distâncias maiores e com taxas de dados mais altas, então lasers são usados. Embora mais caros, eles oferecem algumas vantagens significativas. No primeiro caso, eles são capazes de fornecer um nível de saída mais alto, e além disso a saída de luz é direcional e isso permite um nível de eficiência muito maior na transferência da luz para o cabo de fibra óptica. Normalmente, a eficiência de acoplamento em uma fibra monomodo pode ser tão alta quanto 50%. Uma outra vantagem é que os lasers têm uma largura de banda espectral muito estreita como resultado do fato de produzirem luz coerente. Essa largura espectral estreita permite que os lasers transmitam dados a taxas muito mais altas porque a dispersão modal é menos aparente. Outra vantagem é que os lasers semicondutores podem ser modulados diretamente em altas frequências por causa do curto tempo de recombinação para os portadores dentro do material semicondutor.

Os diodos laser são freqüentemente modulados diretamente. Isso fornece um método muito simples e eficaz de transferir os dados para o sinal óptico. Isso é obtido controlando a corrente aplicada diretamente ao dispositivo. Isso, por sua vez, varia a saída de luz do laser. No entanto, para taxas de dados muito altas ou links de distância muito longa, é mais eficaz executar o laser em um nível de saída constante (onda contínua). A luz é então modulada usando um dispositivo externo. A vantagem de usar um meio externo de modulação é que ele aumenta a distância máxima do link porque um efeito conhecido como chirp de laser é eliminado. Este chirp amplia o espectro do sinal de luz e aumenta a dispersão cromática no cabo de fibra ótica.

Cabo de fibra ótica

Os detalhes completos e a descrição do cabeamento de fibra óptica podem ser encontrados em um artigo / tutorial separado nesta área do site. Em essência, um cabo de fibra óptica consiste em um núcleo, ao redor do qual há outra camada chamada de revestimento. Fora disso, há um revestimento externo protetor.

Os cabos de fibra ótica operam porque seu revestimento tem um índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo. Isso significa que a luz que passa pelo núcleo sofre reflexão interna total quando atinge o limite núcleo / revestimento e, portanto, é contida dentro do núcleo da fibra óptica.

Repetidores e amplificadores

Há uma distância máxima na qual os sinais podem ser transmitidos por cabeamento de fibra óptica. Isso é limitado não apenas pela atenuação do cabo, mas também pela distorção do sinal de luz ao longo do cabo. Para superar esses efeitos e transmitir os sinais a distâncias mais longas, são usados ​​repetidores e amplificadores.

Repetidores optoelétricos podem ser usados. Esses dispositivos convertem o sinal óptico em um formato elétrico onde pode ser processado para garantir que o sinal não seja distorcido e, em seguida, convertido de volta para o formato óptico. Ele pode então ser transmitido ao longo do próximo estado do cabo de fibra óptica.

Uma abordagem alternativa é usar um amplificador óptico. Esses amplificadores amplificam diretamente o sinal óptico sem a necessidade de converter o sinal de volta em um formato elétrico. Os amplificadores consistem em um comprimento de cabo de fibra ótica dopado com um mineral de terras raras chamado Erbium. O cabo de fibra tratado é então iluminado ou bombeado com luz de um comprimento de onda menor de outro laser e isso serve para amplificar o sinal que está sendo transportado.

Em vista do custo muito reduzido dos amplificadores de fibra óptica em relação aos repetidores, os amplificadores são muito mais usados. A maioria dos repetidores foi substituída e os amplificadores são usados ​​em praticamente todas as novas instalações atualmente.

Receptores

A luz que viaja ao longo de um cabo de fibra óptica precisa ser convertida em um sinal elétrico para que possa ser processada e os dados transportados possam ser extraídos. O componente que está no coração do receptor é um fotodetector. Este é normalmente um dispositivo semicondutor e pode ser uma junção p-n, um foto-diodo p-i-n ou um foto-diodo de avalanche. Os fototransistores não são usados ​​porque não têm velocidade suficiente.

Uma vez que o sinal óptico do cabo de fibra óptica tenha sido aplicado ao fotodetector e convertido em um formato elétrico, ele pode ser processado para recuperar os dados que podem então ser passados ​​ao seu destino final.

A transmissão de dados por fibra óptica é geralmente usada para links de redes de telecomunicações de longa distância e para redes locais de alta velocidade. Atualmente a fibra óptica não é usada para a entrega de serviços residenciais, embora esse seja um objetivo de longo prazo para muitas empresas de telecomunicações. Com o uso de cabeamento de fibra óptica aqui, a largura de banda disponível para novos serviços seria consideravelmente maior e a possibilidade de maiores receitas aumentaria. Atualmente o custo dele não é viável, embora deva acontecer no médio prazo.

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