Resumo Histórico

As comunicações “ópticas” não constituem um privilégio desde século. Desde cedo, o homem soube aproveitar as fontes luminosas existente para fins de comunicações à distância. O Sol, por exemplo, serviu como base para os primeiros sistemas de comunicações ópticas conhecidos. Através da manipulação de fumaça, espelhos ou outros objetos interpostos à luz solar, conseguia-se transportar informações instantaneamente de um lugar a outro. As distância eram limitadas apenas pela sensibilidade dos receptores ópticos disponíveis na época (isto é, o olho humano). À   noite, tochas de fogo substituíam o Sol com vantagens quanto ao alcance... e, possivelmente, quanto à tarifação. Conta-se, por exemplo, que os gregos, no Século VI antes de Cristo, utilizaram sinais de fogo para transmitir as informações sobre a queda de Tróia. Esse sistema de comunicações ópticas constituía-se de uma cadeia de estações (humanas) repetidoras ligando a Ásia Menor a Argos.

Um exemplo mais recente de sistema de comunicações ópticas é dado pelo Semaphore construído pelo francês Claude Chappe em 1791. Considerando como o primeiro sistema de comunicações digitais de alta velocidade na história do homem, o Semaphore era baseado num dispositivo de braços mecânicos, o qual, instalado no alto de uma torre e operado manualmente, permitia a transmissão de sinais a distância visuais. Através de uma cadeia desses dispositivos, construídos em colinas e espaçados convenientemente através da França, podia-se transmitir mensagens à distância de 200 quilômetros em apenas 15 minutos. Embora tenha tido um impacto muito grande na Europa na época, o sistema de Chappe tornou-se obsoleto, com a invenção do telégrafo de Morse, em 1835, e caiu em desuso.

Um outro evento pioneiro na história das comunicações ópticas é a invenção do Photophone por Alexandre Graham Bell em 1880. O Photophone, sistema pioneiro de comunicações ópticas analógicas, era um dispositivo para transmissão de voz por meio de um feixe de luz solar. As ondas sonoras da voz modulavam mecanicamente, através de um espelho refletor móvel, o feixe luminoso. Na recepção, uma célula de selênio convertia a energia luminosa modulada em intensidade de corrente elétrica que, por sua vez, era convertida em som por um receptor telefônico. A tecnologia disponível na época limitava o alcance do sistema a 200 metros; além disso, o Photophone não funcionava sem a luz solar direita.

O Photophon

Os exemplos de sistemas de comunicações ópticas pioneiro, apresentados acima, baseavam-se exclusivamente na transmissão de luz através da atmosfera. Uma das primeiras experiências científica de transmissão de luz através de um meio de transmissão diferente do ar  é atribuída ao inglês Jonh Tyndall que, em 1870, demonstrou a transmissão de um feixe de luz por meio de um jato d’água fino e curvo.

Em 1910, os alemães Hondros e Debye realizaram a primeira análise teórica completa sobre a propagação eletromagnética em cilindros dielétricos, estruturas básica das futuras fibras ópticas. Mais tarde, em 1930, o alemão Lamb desenvolveu as primeiras experiências de transmissão de luz em fibras de vidro. No entanto, somente em 1951 as fibras ópticas encontrariam uma aplicação prática com a invenção do Fiberscope pelo holandês Heel e pelos ingleses Hopkins e Kapany. Utilizado principalmente em aplicações médicas, o Fiberscope permitia a transmissão de imagens através de um feixe flexível de fibras de vidro.

Os altos níveis de perdas de potência luminosa apresentados, na época, pelas fibras de vidro  (da ordem de milhares de dB/km) restringiam sua aplicação a distâncias muito curtas (menores que um metro). Era o caso, por exemplo, de sistema de iluminação e observação de difícil acesso, tais como o interior do corpo humano9 ou de uma máquina. Não se cogitava, na época, do uso de fibras para sistemas de transmissão a longa distância.

Com a invenção do laser em 1958 e sua primeira realização prática nos EUA em 1960, os esforços de pesquisa e desenvolvimento em comunicações ópticas tiveram um novo impulso. O laser constituía uma fonte luminosa com potência e capacidade de transmissão enormes, permitindo conceder sistemas de comunicações ópticas de longo alcance com grande banda passante. Os avanços técnico-científicos na área resultaram, em 1962, na realização do primeiro laser semicondutor e do primeiro fotodiodo PIN de silício de alta velocidade. Em 1963, demonstrava-se a emissão de luz de baixa coerência com diodos eletroluminescentes ( LED’s).

Se por um lado os avanços em termos de fontes e receptores luminosos no início da década de 60 eram significativos, o desenvolvimento de sistemas de transmissão ópticas, por outro lado, esbarrava na falta de disponibilidade de um meio adequado para a transmissão da luz  à distância. A atmosfera, sujeita a interferência diversas (chuva, neblina, neve, poeira etc.), mostrava-se bastante limitativa, estimulando a busca de novas alternativas de meio de transmissão. Foram investigado, no período, vários tipos de guias de onda que pudessem ser utilizados para a transmissão de luz . embora as experiências não tenham alcançado os resultados práticos esperados, algumas delas contribuíram no desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas. É o caso, por exemplo, do guia de onda óptico de gás com variação gradual no índice de refração, desenvolvido no Japão em 1964. Outros resultados decorrentes dessas investigações sobre guias de ondas ópticos serviam de base para o desenvolvimento dos atuais componentes de óptica integrada.

Em 1966, Kao e Hockmam, na Inglaterra, apresentaram um trabalho cujos resultados sugeriam a possibilidade de uso de fibras de vidro em sistema de transmissão a longa distância. As fibras analisadas tinham uma estrutura de núcleo e casca conforme proposto por Kapany e outros em 1958. O trabalho mostrava que a forte atenuação, até então, em fibras ópticas, não era intrínseca ao material vidro utilizado, mas, principalmente, devida à presença de impurezas. Concluía-se, portanto, que, através, da purificação do material básico da fibra, era possível chegar-se a atenuações inferiores a 20 dB/km, limite de viabilização, na época, para o uso de fibras ópticas em sistema de telecomunicações. Com esses resultados, além da Inglaterra, outros países, como os EUA, o Japão e a Alemanha, começaram um intenso programa de pesquisa, buscando a purificação do vidro e o estudo dos problemas de transmissão em fibra ópticas.

Ainda no ano de 1966, pode-se destacar uma contribuição pioneira, em termos de dispositivos de recepção óptica, com o anúncio de um fotodiodo de avalanche (APT) de germânio de alta velocidade.

As fibras ópticas inicialmente consideradas para uso em sistemas de transmissão de grande capacidade e alcance foram as do tipo monomodo (isto é, transmitem um único modo de propagação). Não obstante, as fibras ópticas do tipo multimodo (que transmitem vários modos de propagação) foram logo levadas à prática em razão das dificuldades de conectividade das fibras monomodo, cujas dimensões são reduzidíssima. A limitação intrínseca na capacidade de transmissão das fibra multimodo era minimizada, utilizando-se fibras com índice gradual (fibras com índice de refração do material que compõe o núcleo da fibra variando gradualmente com relação ao índice de refração da casca da fibra). Esses tipo de fibra óptica foi analisado teoricamente por Kawakami e Nishizawa em 1968, já se fabricava, no Japão e no EUA, as primeiras preformas e fibras ópticas com índice gradual. O material básico utilizado nessas fibras era vidros composto.

Em 1970, Kapron e Kech, da Corning Glass Works, nos EUA, anunciam a fabricação de centenas de metros de fibra óptica de sílica do tipo monomodo com atenuação inferior a 20 dB/km. Este resultado estabeleceu um macro fundamental na história das comunicações ópticas e foi por um formidável esforço científico e tecnológico nos EUA, no Japão e na Europa, buscando-se o desenvolvimento de fibras ópticas utilizáveis em sistema prático.

Um outro importante resultado, alcançado também em 1970, foi a realização de diodos laser com operação contínua em temperatura ambiente. Esses diodos laser baseavam-se numa estrutura de semicondutor do tipo heterogênea dupla (DHS) proposta em 1968 e tinha vida útil não superior a algumas horas. Ainda com relação ao desenvolvimento de fontes luminosas, em Burrus e Miller apresentavam nos EUA os primeiros diodos eletroluminescentes (LED) adequados à transmissão por fibras óptica.

O desenvolvimento de sistemas de transmissão com fibras ópticas teve uma importante contribuição, em 1971, com a teoria simplificada sobre propagação em fibras ópticas apresentada por Gloge. Este trabalho e outros subseqüentes contribuíram significativamente para a compreensão e o projeto de fibras ópticas para sistemas de telecomunicação.

Em 1972, a Corning Glass Works anunciou a fabricação de fibra multimodo com perdas inferiores a 4 dB/km. Este trabalho provocou a obsolescência de uma importante área de investigação na época, que era a de fibras ópticas com núcleo líquido, onde se conseguia atenuações inferiores a 8 dB/km. No ano seguinte, outra empresa norte-americana, o Bell Laboratories, alcança perdas inferiores a 2,5 dB/km com um método próprio de fabricação de fibras ópticas, com núcleo de sílica.

Um relevante trabalho pioneiro, analisando o desempenho de receptores ópticos em sistemas de comunicações digitais, foi apresentado por Personick, do Bell Laboratories, em 1973. Diversos receptores ópticos experimentais, com desempenhos bastante próximo daqueles previstos teoricamente, foram descritos no período. Ainda em 1973, é relatada, nos EUA, a fabricação de diodo laser de estrutura DHS com vida útil superior a 1.000 horas, constituindo-se num importante avanço na busca de fontes luminosas para sistemas de telecomunicações.

Em 1975, os ingleses Payne e Gambling identificam, na região espectral próxima de 1300nm, uma janela de dispersão mínima de para fibras ópticas de sílica. A partir de então, os esforços de pesquisa e desenvolvimento em fibras ópticas, dispositivos ópticos ativos e sistemas foram significativamente orientados para essa região espectral que oferecia possibilidades de oferecia possibilidades de realização de sistema com capacidades de transmissão enormes.

O incessante esforço de purificação da sílica para se obter fibras ópticas com perdas cada vez mais baixas teve, em 1976, um importante fruto advindo da fabricação de fibra óptica multimodo com atenuação inferior a 0,46 dB/km na região de 1.200 nm. Com este resultado, aproximava-se o limite de perdas intrínsecas do material, restando, como único avanço possível para fibras de sílica, a exploração de comprimentos de onda maiores.

Os primeiros sistemas de transmissão com fibras ópticas começaram a ser instalados no campo, testados e operados, a partir de 1976. Em Hastings, Inglaterra, entra em operação, neste ano, o primeiro sistema comercial de fibras ópticas de que se tem conhecimento. Este sistema utilizava um enlace de fibra óptica de 1,4 km para distribuição de televisão por cabo a 34,000 assistentes. Em Atlanta, EUA, tem início, em 1976, uma série de teste de campo com um sistema de transmissão a 45 Mbps operando na região de 0,82mm.

O primeiro enlace com fibra óptica, em operação regular no sistema telefônico dos EUA, entrou em operação em abril de 1977 na Califórnia. Este sistema interconectava duas centrais telefônicas, através de dois repetidores espaçados de 3 km, perfazendo uma distância de 9 km. Utilizando LED’s e fotodiodos de avalanche (APD) para transmitir, num cabo óptico com 6 fibras, voz com codificação de pulsos (PCM) a 1,544 Mbps.

Em 1977, obtiveram-se importantes avanços no desenvolvimento de fontes luminosas. Em menos de um ano, saiu-se de diodos laser com vida útil superior a 7.000 horas para a produção regular de diodos laser com vida útil superior a (106)*  horas. Também, neste ano, foi desenvolvido um diodo LED de alta radiança para operação na região dos 1.300nm, onde a dispersão material era minimizada.

De 1977 a 1978 proliferaram, nos EUA, Japão e Europa, teste de campo com a chamada 1ª geração de sistemas comerciais que operava na região de 0,85mm. esta geração de sistemas baseava-se na utilização de diodos laser ou LED’s da A1GaAs, fotodiodos PIN ou APD de silício e fibras multimodo com índice gradual, operando na região de 0,8-0,9mm com atenuação da ordem de 3 a 6 dB/km. Por outro lado, neste mesmo período, desenvolvem-se os primeiros sistemas experimentais com fibras multimodo operando em 1.300nm. Este últimos eram construídos com diodos laser, LED’s, fotodiodos PIN e APD’s de InGaAsP, ou ainda, fotodiodos APD de germânio.

Em 1979 foi anunciada, no Japão, a fabricação de fibras monomodo com atenuação inferior a 0,20 dB/km para a região espectral de 1550nm. Atingiam-se, assim, os mais baixos níveis de perdas em fibras de silício, resultando em importantes repercussões na concepção de sistemas de transmissão em distâncias muito longas. A partir daí, as fibras monomodo, assim como sistemas com este tipo de fibra, concentraram rapidamente os esforços de desenvolvimento em vários países.

A instalação, o teste e a operação da 2ª geração de sistemas comerciais, com fibras ópticas multimodo operando na região de 1.3000nm, começaram na maior parte dos países desenvolvidos no período de 1980-1981. Esta geração de sistemas continua a ser instalada, até hoje, em inúmeros países.

A 3ª geração de sistemas comerciais inicia-se em 1984 e caracteriza-se pela introdução das fibras monomodo operando em 1.300nm. Esses sistemas, com dispersão muito pequena, permitiram o aumento das taxas de transmissão para até 800 Mbps, com distâncias entre repetidores da ordem de 40 km.

Por outro lado, em 1981, foi demonstrada, na Inglaterra, a operação de uma fibra monomodo com características de dispersão mínima na região de 1550nm. Este tipo de fibra, conhecida como fibra com dispersão deslocada, permitia usufruir das perdas extremamente baixas, na região de 1550nm, associadas às vantagens da dispersão zero a qual era comum à região de 1.300nm. foi então possível a concepção de sistemas associando características muito longo alcance com grande capacidade de transmissão, utilizando principalmente para transmissão através de cabos submarinos.

Vários sistemas experimentais operando com fibras monomodo na faixa de 1550nm, considerados os precursores da 4ª geração de sistemas comerciais, foram relatados a partir de 1982. Na Inglaterra, um sistema operando na região de 1520nm permitia um alcance de 102 km sem repetidores a 140 Mbps. No Japão era experimentado, em 1982, um sistema de 1550nm com taxa de transmissão de 2 Gbps e alcance sem repetidores igual a 51,5 km.

Em 1982, foram obtidos importantes avanços tecnológicos no manuseio de cabos de fibras monomodo, como, por exemplo, as primeiras demonstrações de emendas de fibras monomodo, feitas no campo, com perdas inferiores a 0,2 dB. Conectores para fibras monomodo com perdas inferiores a 0,3 dB ficaram comercialmente disponíveis nos EUA, Europa e Japão em 1983. Ainda em 1983 é anunciada a fabricação de fibras monomodo com núcleo segmentado, pertencente à família de fibras monomodo com dispersão plana que tem como característica a dispersão zero em dois comprimentos de onda e uma região intermediária com dispersão muito baixa.

No período de 1983-1984 foram colocados em operação regular vários sistemas de 3ª geração (1.300nm) com capacidade de transmissão bastante superior à dos sistemas comerciais pioneiros. Por exemplo, no Japão é instalado, no período, um sistema em 1.300nm, a 400 Mbps, com alcance sem repetidor de até 25 km, enquanto, nos EUA, entra em operação um sistema a 1,7 Gbps com alcance de até 40 km.

As fibras monomodo com dispersão deslocada, anunciadas em 1981, ficaram disponíveis comercialmente em 1985. Neste ano são experimentados vários sistemas explorando os limites de tecnologia, para aumentar, de um lado, a capacidade de transmissão dos sistemas e, de outro alcance sem repetidor. Esta última tendência é particularmente motivada pelo desenvolvimento de sistemas com cabos submarinos. Nos EUA, o AT&T Bell Laboratories desenvolve um sistema experimental com capacidade de transmissão de 4 Gbps em distância sem repetidores de 103 km. Na Inglaterra, sistemas experimentais em 1550nm, com fibras monomodo com dispersão deslocada, conseguem alcances de 220 km e 230 km, em taxas de 140 Mbps e 34 Mbps, respectivamente. Nos EUA experimenta-se um sistema em 1550nm, também com fibras monomodo com dispersão deslocada e utilizando a técnica de multiplexação de comprimentos de onda (10 canais) para obter uma capacidade de transmissão fantástica da ordem de 2.000 Gbps.km.

Em 1986, são anunciados no Japão dois sistemas experimentais: um da empresa KDD operando a 2 Gbps na faixa de 1548nm com alcance de 108 km e outro da NEC em 1530nm, com taxa de transmissão de 565 Mbps e alcance de 240 km. No BRTL, na Inglaterra, no mesmo ano, é experimentado um sistema em 1550nm operando a 2,4 Gbps e alcance de 71 km. Todos este sistemas acima, considerados de 4ª geração (1550nm), baseavam-se na utilização de fibras monomodo com dispersão deslocada e de diodos laser DFB disponíveis desde 1986. Os diodo laser DFB utilizam-se de uma realimentação distribuída, primeiramente demonstrada em 1971 com laser DYE e que garante uma emissão de luz mais coerente, reduzindo os afeitos da dispersão cromática.

Embora a 4ª geração de sistema comerciais de transmissão por fibras ópticas esteja em seu início, já é possível conceder uma 5ª  geração de sistemas em função dos avanços recentes da pesquisa e desenvolvimento da área. Os sistemas de transmissão por fibras ópticas coerentes, por exemplo, que vêm sendo estudados desde 1978, permitem um ganho de desempenho da ordem de 12 a 15 dB com relação aos sistemas de detecção óptica direta. Isto implica a possibilidade de alcance sem repetidores ainda maiores, o que é particularmente interessantes aos sistemas de cabos submarinos e, de uma maneira geral, aos sistemas de transmissão banda-larga em grandes distâncias. Experimentos com sistemas coerentes relatados em 1987 demonstravam, por exemplo, operação satisfatória a 400 Mbps em distâncias de até 290 quilômetro. Mais recentes, têm sido propostos enlaces locais coerentes para distribuição de TV.

Em 1988, entrou em operação o primeiro sistema com cabo óptico submarino transatlântico (TAT-8) operando 2 x 280 Mbps, com fibras monomodo na região de 1,3mm, numa distância total (EUA-Europa) de 7500 km com repetidores a cada 60 km. Neste mesmo ano, em Taiwan, foi colocada em prática uma aplicação pioneira de sistema (471 Mbps) com cabo óptico submarino sem repetidores (104 km), operando com 8 fibras monomodo na janela de 1,55mm e atenuação da ordem de 0,24 dB/km.

Os esforços de P&D atuais têm sido orientados para a busca, por um lado, de sistemas de maior capacidades de transmissão e, por outro lado, de sistemas com alcance sem repetidores cada vez maiores. Nesse sentido, tem-se procurado trabalhar com sistemas operando em comprimentos de ondas para os quais a atenuação das fibras ópticas seja a mais baixa possível. Vários materiais semicondutores para operação em comprimentos de ondas superiores a 1,55mm vêm sendo intensivamente investigados. Do lado das fontes luminosas, busca-se utilizar fonte mais potentes e com menor dispersão cromática possível (emissão mais coerente), como é o caso, por exemplo, dos diodos laser com realimentação distribuídas (DFB). Em termos de recepção óptica, avança-se no desenvolvimento de receptores ópticos com níveis de detecção (sensibilidade) próximos ao limite quântico, por meio das técnicas de detecção homódina e heteródina.

Um importante desafio a ser enfrentado no desenvolvimento de sistemas de transmissão por fibras ópticas é a chamada barreira eletrônica. Essa barreira reflete o fato da limitação dos sistemas não ser causada pela banca passante da fibra óptica e da fonte luminosa utilizada, mas sim pelos componentes eletrônicos usados para o processamento de sinais. Entretanto, com o crescente desenvolvimento da tecnologia de óptica integrada na realização de dispositivos ópticos de processamento de sinais, espera-se superar satisfatoriamente essa limitação (sistemas WDM e FDM).

Enfim, é interessante observar ao leitor que a relativa juventude da tecnologia de transmissão por fibras ópticas e a sua explosiva diversificação, espalhada na variedade de aplicações, impedem abordagens históricas rigorosas. Desse modo, este breve histórico apresentado deve ser considerado apenas como um roteiro didático, referenciando a evolução da tecnologia de transmissão por fibras ópticas.

A Tabela 1.1 sumariza os principais eventos históricos em comunicações ópticas destacados no texto.

Figura 1: Exemplo de Fibra Óptica

As fibras ópticas são constituídas basicamente de materiais dielétricos (isolantes) que, como já dissemos, permitem total imunidade a interferências eletromagnética; uma região cilíndrica composta de uma região central, denominada núcleo, por onde passa a luz; e uma região periférica denominada casca que envolve o núcleo. O índice de refração do material que compõe o núcleo é maior do que o índice de refração do material que compõe a casca.

Veremos agora a estrutura do cabo de fibra óptica (ver Figura 2).

Figura 2: Estrutura da fibra óptica.

 Núcleo: O núcleo é um fino filamento de vidro ou plástico, medido em micra (1 mm = 0,000001m), por onde passa a luz. Quanto maior o diâmetro do núcleo mais luz ele pode conduzir.

 Casca: Camada que reveste o núcleo. Por possuir índice de refração menor que o núcleo ela impede que a luz seja refratada, permitindo assim que a luz chegue ao dispositivo receptor.

 Capa: Camada de plástico que envolve o núcleo e a casca, protegendo-os contra choques mecânicos e excesso de curvatura.

 Fibras de resistência mecânica: São fibras que ajudam a proteger o núcleo contra impactos e tensões excessivas durante a instalação. Geralmente são feitas de um material chamado kevlar, o mesmo utilizado em coletes a prova de bala.

 Revestimento externo: É uma capa que recobre o cabo de fibra óptica.

Existem duas categorias de fibras ópticas: Multimodais e Monomodais. Essas categorias definem a forma como a luz se propaga no interior do núcleo.

 Multimodais: As fibras multimodais possuem o diâmetro do núcleo maior do que as fibras monomodais, de modo que a luz tenha vários modos de propagação, ou seja, a luz percorre o interior da fibra óptica por diversos caminhos. As dimensões são 62,

Figura 3: Fibra óptica multimodal.

 Monomodais: As fibras monomodais são adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias, embora requeiram conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo. Nas fibras monomodais, a luz possui apenas um modo de propagação, ou seja, a luz percorre interior do núcleo por apenas um caminho. As dimensões do núcleo variam entre 8 mm a 10 mm, e a casca em torno de 125 mm. As fibras monomodais também se diferenciam pela variação do índice de refração do núcleo em relação à casca; classificam-se em Índice Degrau Standard, Dispersão Deslocada (Dispersion Shifed) ou Non-Zero Dispersion.

Figura 4: Fibra óptica monomodal.

Obs: As fibras ópticas transmitem luz com um comprimento de onda invisível ao olho humano. Portanto, nunca devemos olhar diretamente para uma fibra óptica enquanto ela estiver transmitindo, pois corremos o sério risco de ficarmos cego.

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