Todos os sinais empregados em telecomunicações e redes de computadores são compostos pelo somatório de ondas periódicas senoidais (analógicas). Mesmo a composição dos sinais digitais, como os que são adotados nas atuais redes locais da família Ethernet, também é baseada no somatório de ondas periódicas senoidais (analógicas).
O que caracteriza e difere cada um dos sinais eletromagnéticos adotados em telecomunicações e redes de computadores é seu espectro de frequências, ou seja, a faixa de frequência dos sinais periódicos senoidais que compõe aquele sinal. Esse princípio, que pode ser demonstrado matematicamente pela teoria conhecida como Série de Fourier, é um dos mais importantes para se entender o processo de sinalização, modulação e codificação dos sinais de redes.
O que a física chama de onda luminosa ou raio de luz é uma onda eletromagnética que tem uma frequência que pode estar na faixa de 405 a 790 THz (terahertz), o que equivale a comprimentos de onda de 740 a 380 nm (nanometros), conforme ilustram as figuras abaixo. O que difere as cores dos raios de luz é, portanto, sua frequência.
Figura: Espectro contínuo de cores (a escala indica o comprimento de onda em nm):
Cor Comprimento de onda Frequência
vermelho
~~662255--774400nnmm ~~448800--440055TTHHzzlaranja
~~559900--662255nnmm ~~551100--448800TTHHzzamarelo
~~556655--559900nnmm ~~553300--551100TTHHzzverde
~~550000--556655nnmm ~~660000--553300TTHHzzciano
~~448855--550000nnmm ~~662200--660000TTHHzzazul
~~444400--448855nnmm ~~668800--662200TTHHzzvioleta
~~338800--444400nnmm ~~779900--668800TTHHzz Figura: Cores do espectro visível:Abaixo da frequência da luz vermelha temos os raios infra-vermelhos, largamente empregados nos controle remotos de eletrodomésticos e sensores de presença em portas de elevadores. Acima da frequência da luz violeta temos os raios ultra-violetas, tão conhecidos pelos danos de causam a pele humana.
Embora a palavra 'luz' seja muito utilizada para designar o sinal ótico nas fibras, ela a rigor não é adequada, pois alguns desses sistemas em redes de computadores operam fora da região visível do espectro, ou seja, em faixas de frequência onde o olho humano é insensível.
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4.2 – Janelas Óticas de Transmissão
O que chamamos de janelas óticas de transmissão são as frequências adotadas nas fontes de
luz dos equipamentos óticos para redes, sejam switches, placas de rede ou conversores eletro- óticos. Para cada frequência do sinal, existe um comprimento de onda equivalente.
Existem três principais janelas óticas adotadas nos equipamentos de rede local da família Ethernet (IEEE 802.3). São elas:
Todos os três comprimentos de onda citados estão na parte de infravermelho do espectro de frequências, abaixo da parte da luz visível (aproximadamente 405 a 790 THz).
É importante notar que toda a literatura técnica e os manuais dos equipamentos adotam o comprimento de onda em nanometros para designar as janelas de transmissão. Para se calcular a frequência equivalente para cada um dos comprimentos de onda emprega-se a relação abaixo:
Para cada tipo de sinal ótico existe uma fibra ótica que trará o melhor desempenho possível naquele comprimento de onda, conforme ilustra o gráfico a seguir. Para entender o gráfico basta
notar que no eixo x temos os possíveis comprimentos de onda do sinal (estão em micrometros e
não em namometros) e no eixo y temos a atenuação do sinal em (decibéis, dB). A curva sinuosa
do gráfico mostra o comprimento de onda x atenuação ao longo dessa faixa de frequências. A
parte superior do gráfico traz os materiais que compõe as diferentes fontes de luz e receptores óticos, de acordo com as siglas da tabela periódica de elementos químicos.
COMPRIMENTO DE ONDA 1550 nm 1310 nm 850 nm FREQÜÊNCIA (teraherz) 194 x 1012 = 194 THz 229 x 1012 = 229 THz 353 x 1012 = 353 THz onde: c = velocidade da luz (300.000.000m/s) f = freqüência da onda (Hz) = comprimento da onda (m)
f
c
=
λ
λ
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São exemplos de padrões de janelas óticas adotadas em switches de rede locais: IEEE 802.3z 1000BASESX (S=SHORT, ou seja, λ curto = 850nm)
IEEE 802.3z 1000BASELX (L=LONG, ou seja, λ longo = 1310nm)
Simplificadamente, podemos dizer que a perda (atenuação) é menor em comprimentos de ondas maiores, permitindo maiores velocidades de dados por distâncias maiores, embora o gráfico acima mostre uma não linearidade acentuada na faixa de 1400nm, o que dificulta que essa faixa de frequência seja usada nos hardwares convencionais de rede local.
Entender o conceito de janela ótica de transmissão é fundamental para o profissional de redes uma vez que essa característica é determinante na especificação dos equipamentos ativos de rede óticos, pois afetará o alcance e a velocidade de transmissão do link, bem como seu custo.
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As seções a seguir apresentam as principais janelas óticas de transmissão para sistemas Gigabit Ethernet e 10Gigabit Ethernet e os meios físicos recomendados com seus respectivos alcances máximos.
4.3 – Opções de meio para tecnologia Gigabit Ethernet
Fonte: Stallings, 2005.
4.4 – Opções de meio para 10 Gigabit Ethernet
550m
275m
25m
100m
5km
550m
1270 a 1355 nm
770 a 860 nm
(escala logarítmica)
(escala logarítmica)
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4.5 – Especificação de fabricantes de fibras
Com muita frequência os fabricantes de fibras óticas e seus acessórios passivos desenvolvem cabos e materiais que superam os limites mínimos estabelecidos pelos órgãos padronizadores internacionais.
Os gráficos abaixo ilustram os alcances máximos em metros das fibras multimodo LazrSPEED do fabricante SYSTMAX, em duas velocidades distintas: 1Gbps e a 10Gbps. Os gráficos ilustram as Fibras LazrSPEED 550, LazrSPEED 300 e LazrSPEE 150, comparando-as com o desempenho das fibras genéricas com núcleo de 50 μm e com núcleo de 62,5 μm.
Fonte: SYSTIMAX A tabela abaixo traz informações sobre as fibras SYSTMAX com maior riqueza de detalhes. Nesta tabela é possível ver 5 (cinco) tipos de fibras e a distância máxima em cada uma delas em função
do tipo de aplicações suportadas (primeira coluna da tabela), ou seja, em função do tipo de
switch e das placas de rede empregadas na rede.
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Como exemplo adicional de um tipo de fibra que supera os limites mínimos das normas, temos a
fibra TeraSPEED da SYSTMAX. O traço vermelho no gráfico abaixo (curva TeraSPEED Loss)
ilustra que essa fibra especial pode operar também na faixa de 1280nm a 1625nm. Neste caso não ocorrem nessa faixa (o gráfico chama de banda E) as perdas de sinal das fibras
convencionais, representadas pelo pico de atenuação na curva preta (curva Convencional Fiber
Loss).
Fonte: SYSTIMAX
Outro exemplo de fibra com desempenho acima dos padrões já normatizados é a fibra LazrSPEED 550 da Systimax, que é suporta enlaces 10Gbps em links de até 550m (250m a mais do que a norma estabelece) usando como fonte de luz os modernos diodos VCSEL (850nm).
4.6 – Fontes de luz em equipamentos óticos
Dois tipos diferentes de fonte de luz são usados nos sistemas de fibra ótica: o diodo emissor de luz (LED – Light Emitting Diode) e o diodo de injeção a laser (ILD – Injection Laser Diode). Os dois são dispositivos semicondutores que emitem um raio de luz quando se aplica uma voltagem. O LED é mais barato e opera em um intervalo de temperaturas maior. O ILD, que opera com o principio do laser, é mais eficiente e pode sustentar velocidades de dados mais altas, como será explicado a seguir.
Existe um relacionamento entre o comprimento de onda empregado, o tipo de transmissão e a velocidade de dados que pode ser alcançada. O modo único e o multimodo podem admitir vários comprimentos de onda de luz diferentes e podem empregar uma fonte de luz por laser ou LED. A maioria das aplicações locais atualmente utiliza fontes de luz com LED na janela de 850nm. Embora essa combinação seja relativamente barata, ela limita a distância a ser alcançada pelo enlace. Os sistemas que atingem velocidades de dados mais altas e distâncias maiores em geral usam fonte baseada em LED ou laser a 1300nm. As fontes que operam em 1550nm são fontes laser mais caras, mas que permitem os maiores alcances em termos de distância.
Podemos dizer que existem quatro principais vantagens dos lasers em relação aos LEDs: • Emitem maior potência luminosa
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770 790 810 830 850 (nm) Pot ênc ia de s aí d a Laser: 1 nm LED: 36 nm 770 790 810 830 850 (nm) Pot ênc ia de s aí d a Laser: 1 nm LED: 36 nmAs principais desvantagens dos lasers em relação aos LEDs são: • Menor durabilidade
• São sensíveis ao aumento de temperatura o que exige que os equipamentos tenham circuitos para controle de temperatura
• Trata-se de uma interface em geral mais cara
Figura: Comparação entre a largura espectral do laser e do LED (valores típicos)
A máxima eficiência de uma conexão ótica ocorreria em uma transmissão se toda a luz gerada por uma fonte entrasse no núcleo da fibra. Na recepção a eficiência máxima se daria se toda a luz da fibra fosse captada pelo fotodetector.
Como os raios de luz não são paralelos, grande parte deles se perde por não se confinarem no núcleo da fibra. Para medir essa característica existe o parâmetro eficiência de acoplamento. Como a luz dos lasers é uma luz altamente focalizada, ao contrário da luz dos LEDs, o acoplamento ótico é bem maior nos sistemas baseados em lasers.
A tecnologia mais avançada em termos de fonte luminosa para equipamentos de rede é o diodo laser chamado de VCSEL - Vertical Cavity Surface-Emitting. Esse tipo de fonte luminosa de última geração apresenta como principais características: alta eficiência no acoplamento ótico, feixes de saída circulares, baixo consumo de potência, altas taxas de modulação e baixo custo.
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