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Características e Limites Físicos De Cabos de Fibra Ótica Na Transmissão de Dados em Altas Taxas de Transferências
Written by Adonai Estrela Medrado   
Tuesday, 01 July 2008 14:22

Sobre 

Este trabalho foi apresentado na Universidade Católica do Salvador (UCSal) em outubro/2002.

Resumo

Este trabalho começa por mostrar a importância da fibra ótica, principalmente no ramo das transmissões com alta taxa de transferência utilizadas pelos padrões Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Ethernet.

Mostra-se, em seguida, uma visão geral sobre estes dois padrões de transmissões baseados no Ethernet enfocando, principalmente, o meio físico fibra ótica.

Segue-se com uma apresentação das características da fibra ótica e tentado mostrar pontos pertinentes a uma fibra de alta velocidade.

Termina-se com uma descrição dos atuais limites da fibra ótica e investimentos que estão sendo feitos para superá-los.

Introdução

A implantação de um novo padrão, batizado com a sigla DWDM (Dense Wavelenght-Division Multiplexing), permitiu a muitas empresas oferecer soluções com velocidades que variam de 622 Mbps – cerca de 10 mil vezes a capacidade de um fio de cobre comum – até 10 gigabits por segundo (Gbps). Especialistas afirmam que, com a capacidade total de transmissão de uma única fibra (mais de um terabit por segundo), em tese, é possível enviar por ela toda a comunicação diária entre Rio e São Paulo, em um segundo, e ainda sobra espaço.

Mas tudo isso tem um custo – e alto – que a maioria das operadoras não está disposta a pagar sem o devido retorno. Se virtualmente um único par de fibra pode transportar sozinho boa parte de toda a comunicação telefônica do país, é verdade também que tamanha simplificação exigiria circuitos eletrônicos potentes o suficiente para organizar e rearranjar os dados, que trafegam nas redes “empacotados” e ordenados sob vários tipos de protocolo. Quanto menos fibra ótica para conduzir, maior é o custo dos equipamentos que ficam nas pontas dos cabos. [Amanha 01]

Como enfocado pela revista Amanha em 2001 as aplicações da fibra são muitas, principalmente no ramo de comunicação de dados de alta velocidade.

Esforços já são feitos para transmissão de dados em alta velocidade, por exemplo, já em 1999 a Luncent em [Luncent 99] anunciava o primeiro roteador óptico de alta capacidade do mundo “capaz de direcionar 10 vezes mais o tráfego da Internet atual em um segundo. Baseado em tecnologia patenteada pelo Bell Labs, o WaveStar™ LambdaRouter usa uma série de espelhos microscópicos para direcionar e rotear, instantaneamente, sinais óticos vindos das fibras da rede, sem ter que transformá-los primeiro em formato elétrico, como é feito atualmente. Isso irá gerar uma economia, em custos operacionais, para os provedores de serviço, de até 25%, e irá capacitá-los a direcionar o tráfego da rede 16 vezes mais rapidamente do que através dos comutadores elétricos.”

Transmissões em terabit logo serão necessárias com mais freqüência e existiram máquinas e aplicações que as exigirão. A fibra ótica é um dos meios possíveis para atender esta demanda. No entanto a fibra ótica também possui limites físicos da transmissão de dados, limites estes que são conhecidos.

Sabe-se que existe uma diferença entre as fibras monomodo e multímodo no que diz respeito à distância máxima que podem atingir bem como outras diferenças o que justifica, por exemplo, a existência dos padrões de fibra.

Para o profissional de informática conhecer estas limitações é de importância fundamental, principalmente para aqueles que desejam atuar na área de redes para saber que tipo de fibra aplicar em cada caso.

Este trabalho tem como objetivo mostrar os limites e características de fibra ótica para transmissões em alta velocidade.

Fibras Óticas para Altas Taxas de Transferências

Quanto falamos de altas taxas de transferência hoje em dia tratamos principalmente de Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Ethernet.. O padrão Fast Ethernet já pode ser considerado como velocidade padrão para a maioria das organizações.

Gigabit Ethernet

O Gigabit Ehernet, segundo [Dias 02], é capaz de transmitir tanto dados quanto voz e possui a taxa de transmissão de 1Gbps e segue o padrão ethernet com detecção de colisão, regras de repetidores, aceita modo de transmissão half-duplex e full-duplex e, dentre outros tipos de cabo, suporta cabos de fibra ótica monomodo e multímodo.

10 Gigabit Ethernet

O 10 Gigabit Ethernet 3 é um padrão proposto pela Com Corporation, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel Corporation, Nortel Networks, Sun Microsystems e World Wide Packets mas atualmente o estudo e novas possibilidades são estudadas por diversas outras companhias (lista completa em [10GEA 02])

Segundo [Dias 02], uma das diferenças entre o 10 Gigabit Ethernet e o Gigabit Ethernet é que ele utiliza somente o padrão full-duplex e o meio físico é a fibra ótica tanto multímodo quanto monomodo.

Característica das Fibras

A fibra ótica é um filamento de sílica ou plástico, no qual a transmissão ocorre pelo envio de sinais de luz dentro do espectro infravermelho.

Ao redor do filamento há outras substâncias com menor índice de refração, que fazem com que os raios de luz sejam refletidos inteiramente.

Existem três tipos de fibra ótica:

Fibra de Multímodo Índice Degrau (Step Index): Primeira utilizada e a simples. Constitui-se de um núcleo com um único tipo de vidro (fato que acarreta em um índice de refração constante). Pode ser de vários materiais, por exemplo, plástico ou vidro e com dimensões de 50 a 400 microns. A atenuação alta (5 db/KM) e a pequena banda leva a ser utilizada para curtas distâncias.

Fibra de Multímodo Índice Gradual (Graded Index): Possui seu núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de refração, os quais tem o objetivo de diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, devido aos vários caminhos possíveis que a luz pode tomar no interior da fibra, diminuindo a dispersão do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra ótica. Os materiais tipicamente empregados na fabricação dessas fibras são sílica pura para a casca e sílica dopada para o núcleo com dimensões típicas de 125 e 50 microns, respectivamente. Apresentam baixas atenuações (3dB/Km em 850 nm) e elevada capacidade de transmissão, por isso são largamente empregadas em telecomunicações.

Fibra Monomodo: Essa é diferente das anteriores, pois é construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição magnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo, conseqüentemente diminuindo a dispersão do impulso luminoso. Para isso é preciso que o diâmetro do núcleo seja poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz usada para a transmissão (Na ordem de 2 a 10 microns - núcleo e 80 a 125 mm - casca). Também se utiliza sílica pura e dopada e possui baixa atenuação (0,7 dB/Km em 1300nm e 0,2 dB/Km em 1550nm) e grande largura de banda (10 a 100 GHz.Km). [RENAN]

Características Específicas para Altas Velocidades

As fibras são padronizadas pelos seguintes órgãos internacionais: ISO (International Organization for Standardization), IEC (International Electrotechnical Commission), TIA (Telecommunications Industry Association) e ITU (International Telecommunication Union).

Estes órgão tem como função definir padrão para que sejam seguidos e tem como benefício obvio fazer com que aparelhos de fibras óticas de fabricantes diferentes se comuniquem e tenham uma performance aceitada dentro dos padrões de transmissões de dados como o Gigabit e 10 Gigabit por exemplo.

Nota: As especificações sobre fibras das seções que se seguem, tanto monomodo quanto multímodo foram, na sua maioria, extraídas de material obtido de [10 GEA]

Fibra Multímodo

Asfibras multímodo são utilizadas nas redes locais onde a distancia entre estações não ultrapassar 2 km.

As fibras de multímodo de 50/125 micron são utilizadas para telecomunicações que possuem muita carga. Por exemplo elas são utilizadas para redes de 10 Giga Bit Ethernet conforme especificação da ISO/IEC 11801 e TIA/EIA-568.

Um fato interessante é que em velocidades de até 622 Mbps as fibras multímodos são alimentadas por uma LED (diodo de emissão de luz), no entanto acima desta velocidade uma LED não é capaz de ligar e desligar tão rápido quanto o necessário então se necessita utilizar uma laser para alimentar a fibra com informações. A tabela abaixo, extraída de [Unisinos], mostra outras diferenças fatores relacionados com o uso do LED ou de um laser:


Item

LED

Laser semicondutor

Taxa de dados

Baixa

Alta

Modo

Multimodo

Multimodo ou Monomodo

Distância

Pequena

Longa

Vida útil

Longa

Curta

Sensibilidade à temperatura

Insignificante

Substancial

Custo

Baixo

Alto

Tabela 1: Comparação Entre o Uso do LED e do Laser

Fibra Monomodo

Existem quatro tipos de fibra monomodo as quais são utilizadas para longa distância e encontradas em WANs.

Independente de qual for se tipo há três fatores importantes que são considerados para transmissões em alta taxa de transferência:

  • Atenuação: é a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao propagar-se através de um meio de transmissão.

  • Dispersão Cromática: é a separação dos comprimentos de onda.

  • Dispersão do Modo de Polarização: é a quantidade de planos de vibração que uma onda possui.

Em 10 Gigabit Ethernet para um comprimento de onda de 1310nm a atenuação máxima permitida segundo a IEC é de 0.4dB/Km para 1550nm 0.3dB/Km.

Com relação a Dispersão Cromática e a Dispersão do Modo de Polarização a Gigabit Ethernet possui e a 10 Gigabit Ethernet possuem conseguem tolerar até um certo nível (nível este que é padronizado pelo órgão responsáveis). 

Referências

[Amanha 01] Revista Amanha. Edição 164 - Março de 2001. Disponível na Internet via protocolo HTTP em http://amanha.terra.com.br/edicoes/164/especial02.asp (Último acesso 29/10/02)

[Lucent 99] Lucent Technologies.Lucent anuncia primeiro roteador óptico de alta capacidade do mundo. Novembro 1999 Disponível na Internet via protocolo HTTP em http://www.lucent.com.br/lucent/noticia/PressReleases/artigo.asp?id=272 (Último acesso 29/10/02)

[10GEA 02] 10 GEA. Página Oficial do Padrão 10 Gigabit Ethernet. Disponível na Internet via protocolo HTTP em http://www.10gea.org (Último acesso 30/10/02)

[Dias 02] DIAS, Beethovem Zanella Dias e ALVES JR, Alves. Evolução do Padrão Ethernet. Disponível na Internet para download via protocolo HTTP em http://mesonpi.cat.cbpf.br/naj/ethernet.pdf (Último acesso 30/10/02)

[Radiobraz 00] Radiobraz. UFPE aprimora comunicação por fibra ótica. 2000. Disponível na Internet via protocolo HTTP em http://www.radiobras.gov.br/ct/2000/materia_250800_7.htm

[Unisinos] Unisinos. Meios Físicos. Data Desconhecida. Disponível na Internet para download via protocolo HTTP em http://www.inf.unisinos.br/~roesler/disciplinas/comunicdados/aula01/tp_meiosfisicos.pdf

[Almeida] ALMEIDA, Luciano M. Conceitos Básicos de Física Óptica Geométrica. Data Desconhecida. Disponível na Internet para download via protocolo HTTP em http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/conceitos_basicos.htm

As fontes abaixo não possuem citação específica, pois não possuírem autor identificado ou data de publicação. As informações utilizadas destas bibliografias foram antes verificadas e estão listadas para efeito de curiosidade:

[RENAN] http://www.geocities.com/master_renan/resumofo.html

 

Last Updated on Tuesday, 01 July 2008 14:31