4. Fibra óptica
Foi nos tempos pré-históricos que o homem se apercebeu do poder da luz para enviar informação, nunca mais a subestimando. Os nossos antecedentes egipcíos adoravam o deus sol 'RE', enviavam sinais reflectidos do sol e marcavam o tempo em calendários solares cíclicos. Hoje, o 'Stonehenge' está em ruínas, mas estas misteriosas pedras no passado chegaram a marcar os ciclos do sol e da lua. Nos tempos ancestrais os exércitos gregos enviavam mensagens codificadas luminosamente entre as suas unidades militares. No séc. XVIII os cientistas franceses experimentaram sistemas de telégrafo ópticos.Estes esforços tiveram um sucesso muito limitado porque os sinais luminosos são atenuados rapidamente pela atmosfera. E nos filmes os indíos levavam a melhor sobre os cowboys através do envio de luz solar reflectida. Mesmo Paul Revere costumava usar sinais luminosos para descobrir que os britânicos estavam a chegar. O uso da luz para transmitir dados tem vindo a ganhar considerável atenção e suporte na indústria. Porém, hoje em vez de usarmos a atmosfera para transmitir a luz, usamos novas técnicas fazendo uso de cabos - fibras ópticas - para a sua trasmissão.
A fibra óptica está cada vez mais perto das nossas casa, hoje os empregados já podem comunicar para o trabalho. Não faltará muito tempo para estarmos interceptados através de um computador pessoal a uma rede de fibra óptica tendo deste modo o escritório em casa. As redes de vídeo interactivo vão tornar possível fazer compras e efectuar operações bancárias a partir de casa com toda a segurança, alugar um filme sem ter que ir à loja buscar a cassete, ou acompanhar e operar no mercado bolsista sem sair de casa.
Actualmente, nas casas 'inteligentes' os sensores de fibra óptica instruem a casa para controlar o aquecimento, ligar e desligar luzes, começar a fazer a refeição (e.g. no micro-ondas), atender o telefone e mesmo chamar a polícia e os bombeiros em caso de emergência.
Com toda esta evolução começam a levantar-se algumas questões: A crescente capacidade de transportar informação por parte da fibra óptica aumentará a produtividade das nações, competitividade da economia e melhora a nossa qualidade de vida? Nos seus diversos modos?
A fibra óptica carrega informação sob a forma de luz. A comunicação com luz dá à fibra óptica capacidade para transportar milhares vezes mais informação do que transporta o cobre, que usa electricidade para transportar os sinais. Dois fios de fibra podem transportar mais informação do que um feixe de fios de cobre com 10 centímetros de diametro.
Sem qualquer margem para dúvidas, a fibra óptica tem um brilhante futuro á sua frente. Os principais motivos do seu futuro sucesso devem-se a:
1. A transmissão óptica tem uma grande capacidade de transmitir informação em termos de largura de banda, a transmissão por frequências de onda de luz é muito grande no espectro electromagnético, dado que a largura de banda é muito dependente da extensão da frequência. As larguras de banda de fibra óptica com uma extensão de 500 Mhz são já hoje realidade; alguns investigadores acreditam que a fibra óptica irá suportar uma extensão de 1000 Mhz. Os laboratórios Bell conseguiram colocar com sucesso 30 000 chamadas simultâneas numa única fibra óptica.
2. As fibras ópticas tem fotões que não possuem carga eléctrica, ao contrário dos electrões encontrados nos cabos metálicos, tais como fios eléctricos e cabos coaxiais. Isto é atractivo para aplicações em que o caminho de transmissão atravessa ambientes sujeitos ao fogo ou gases combustíveis a partir da eletricidade. Os cabos ópticos não são sujeitos a faíscas eléctricas ou interferências de componentes eléctricos num prédio ou sala de computadores.
3. As fibras ópticas têm menos perca do poder de sinal do que o fio de cobre e os cabos coaxiais. O poder do sinal luminoso é apenas reduzido muito ligeiramente após a propagação através de muitos kilómetros em fibra óptica.
4. As fibras ópticas são mais seguras que os métodos de transmissão por cabo. A transmissão da luz não deixa rasto de informação à volta do cabo. A energia residual electromagnética é encontrada na transmissão eléctrica. Além disso é muito difícil interceptar um cabo de fibra óptica. Na realidade esta é uma das desvantagens actuais, devido à impossibilidade de utilizar interceptores T nas linhas de fibra óptica.
5.Os cabos de fibra óptica são muito pequenos (aproximadamente da expessura de um cabelo) e tem um grande poder luminoso. Por exemplo, 900 pares de fios colocados em 300 m num prédio pesam 2000 Kg. Duas fibras ópticas fazendo a mesma distância com a cobertura protectora (e uma capacidade de informação muito superior) pesam apenas 35 Kg.
6. As fibras ópticas são cada vez mais fáceis de instalar e indeferentes à temperatura. Devido à baixa perca de sinal, as taxas de erros em fibra óptica são muito atrativas. A taxa de erros típica em fibra óptico é 10-9 contra 10-6 em cabos metálicos, 1000 vezes inferior.
7. A tecnologia dos semi-condutores foi aperfeiçoada para proporcionar aparelhos de transmissão e recepção para o sistema. A queda rápida dos custos dos chips de estado sólido aumentaram a ambição da indústria da fibra óptica.
Apesar de algumas limitações, a fibra óptica é uma importante tecnologia para LANs. Quando a tecnologia tiver amadurecido, as suas vantagens de alta velocidade, baixa atenuação e quase total imunidade ao ruído vão fazê-la muito atractiva como meio de transmissão.
As fibras ópticas consistem em pequenos fios de vidro ou material tipo vidro que podem carregar luz da fonte até ao destino. As fontes luminosas usadas são LEDs (Light Emitting Diodes) ou LDs (Laser Diodes). Os dados a serem transmitidos são modulados num feixe de luz usando técnicas de modulação da frequência. Os sinais podem depois ser tratados no receptor por um pin FET (Field Effect Transistor) e um demodulador. A largura de banda do meio é potencialmente muito alta (até 5 Ghz) e tende a ser limitada pela taxa de modulação máxima da fonte luminosa. Para os LEDs estas taxas variam entre 20 e 150 Mbps e taxas mais altas são possíveis usando LDs. A tecnologia está-se a desenvolver continuamente e não sabemos com precisão até onde poderá chegar.
Os maiores problemas com as fibras ópticas estão associados com a sua instalação tendo no entanto melhorado bastante nos últimos anos. Os cabos de fibra óptica são muito frágeis e podem precisar de blindagem para torná-los suficientemente robustos de modo a poderem suportar os ambientes de trabalho. Este problema está a tentar ser resolvido através do uso de plástico ou fibra de vidro/plástico. Ligar duas fibras ou uma fonte de luz a uma fibra é um processo difícil. Fibras mais grossas fazem este processo facilmente, mas isto tende a ter uma maior atenuação de sinal e uma mais pequena largura de banda. Equipamento especial é usualmente necessário para alinhar as fibras antes de as juntar.
Se os nodos numa LAN estão conectados numa configuração anel em fibra óptica e um nodo avaria, deve ser desviado. Em sistemas usando o cobre isto pode ser feito usando um simples e barato engenho de permuta. Os permutadores de desvios em fibra óptica estão ainda sob desenvolvimento e são muito caros.
A transmissão e os seus métodos
O sinal luminoso é transmitido para a fibra óptica sob a forma de pulso '0'/'1' representando uma sequência de símbolos binários. As ondas passam através do núcleo do cabo, cobertas por uma camada chamada cladding (ver figuras 4.1 e 4.2).
Fig. 4.1 - Visão longitudinal do cabo de fibra óptica.
A refracção do sinal é cuidadosamente controlada pelo desenho do cabo, os receptores e os transmissores. O sinal luminoso não pode escapar do cabo óptico porque o índice de refracção no núcleo é superior ao índice de refracção do cladding. Deste modo, a luz viaja através do cabo num caminho todo ele espelhado.
Fig. 4.2 - Visão transversal do cabo de fibra óptica
A fonte emissora da luz é usualmente um laser ou um LED. Os lasers proporcionam para uma grande largura de banda, um rendimento da capacidade que é significativamente maior do que outros métodos. Por exemplo, um cabo de dois fios tem um parâmetro de distância de largura de banda de 1Mhz/Km, um cabo coaxial tem 20 Mhz/Km, e a fibra óptica tem 400 Mhz/Km. O sinal é emitido a partir de microchips compostos por materiais semicondutores que transmitem sinais com comprimentos de onda perto dos infra-vermelhos. Os detectores de luz de silica são usados para receber os sinais e converter os raios luminosos nos pulsos eléctricos '0'/'1' originais que são usados no terminal, computador ou modem.
Há vários métodos para transmitir os raios luminosos através da fibra. Na fibra step index multimode, o núcleo e a cladding estão claramente definidos. Os raios de luz refletem no cladding em vários angulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o espalhamento do sinal ao longo da fibra e limita o step index do cabo para aproximadamente 35 Mhz/Km. Este fenómemo é chamado dispersão modal.
Fig. 4.3 - Step Index Multimode.
Num desenvolvimento melhor, chamado graded index multimode, o interface núcleo/cladding é alterado para proporcionar índices de refracção diferentes dentro do núcleo e do cladding (ver figura 4.4). Os raios de luz viajam no eixo do cabo encontrando uma grande refracção, sendo a sua velocidade de transmissão baixa. Os raios que viajam na direcção do cabo tem um índice de refracção menor e são propagados mais rapidamente. O objectivo é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade no cabo de modo a reduzir a dispersão modal. Este desenvolvimento pode resultar em larguras de banda até 500 Mhz/Km.
Fig. 4.4 - Graded Index Multimode.
A fibra step index single mode vai um passo à frente (ver figura 4.5), o tamanho do núcleo, 8 micrometros (µm) de diâmetro, e o índice núcleo/cladding permite que apenas um modo seja propagado através da fibra. Este desenvolvimento fornece uma grande largura de banda e vem na senda do desenvolvimento de lasers de modo simples.
Fig. 4.5 - Step Index Signal Mode.
A transmissão óptica está também sujeita à dispersão espectral ou cromática. A luz que passa na fibra é feita de diferentes frequências e comprimentos de onda. O índice de refracção difere para cada comprimento de onda e permite às ondas viajarem a diferentes velocidades. Os LEDs, que possuem um grande espalhamento de comprimento de onda, estão sujeitos a uma dispersão de espectro considerável. Os lasers exibem uma luz quase monocromática (número limitado de comprimentos de onda) e não sofre qualquer dispersão cromática significativa.
Os comprimentos de onda de sinais ópticos próximos de 1.33 µm viajam todos mais ou menos á mesma velocidade. De qualquer forma, os comprimentos de onda mais curtos resultam na parte ´vermelha´ da luz viajando ligeiramente mais rápidos que a parte 'azul' da luz. O efeito oposto é encontrado em comprimentos de onda maiores que 1.33 µm.
A perca de sinal óptico pode também ocorrer. O próprio cabo também absorve e espalha luz devido às impurezas que poderão ter sido introduzidas durante o seu fabrico. O comprimento de onda óptimo, que evita a dispersão cromática é 1.33 µm; para evitar perca óptica é preferível um comprimento de onda de 1.55 µm. Um laser 'completamente' monocromático (a 1.33 µm) resolveria o problema, mas um laser tecnicamente realizável e económicamente viável exibe sempre alguma velocidade no comprimento de onda.
