Comunicação de dados ópticos

Uma alternativa moderna para enviar informações digitais (binárias) por meio de sinais de tensão elétrica é usar sinais ópticos (de luz). Os sinais elétricos de circuitos digitais (tensões altas / baixas) podem ser convertidos em sinais ópticos discretos (com ou sem luz) com LEDs ou lasers de estado sólido. Da mesma forma, os sinais de luz podem ser traduzidos de volta para a forma elétrica através do uso de fotodiodos ou fototransistores para introdução nas entradas dos circuitos de porta.







A transmissão de informações digitais na forma ótica pode ser feita a céu aberto, simplesmente apontando um laser para um fotodetector a uma distância remota, mas pode haver interferência com o feixe na forma de camadas de inversão de temperatura, poeira, chuva, neblina e outras obstruções. problemas significativos de engenharia:







Uma maneira de evitar os problemas de transmissão de dados óticos ao ar livre é enviar os pulsos de luz por uma fibra de vidro ultra-pura. Fibras de vidro irá “conduzir” um feixe de luz da mesma forma que um fio de cobre conduz elétrons, com a vantagem de evitar completamente todos os problemas associados de indutância, capacitância e interferência externa que afetam os sinais elétricos. As fibras ópticas mantêm o feixe de luz contido dentro do núcleo da fibra por um fenômeno conhecido como refletância interna total .

Uma fibra óptica é composta por duas camadas de vidro ultra-puro, cada camada feita de vidro com um índice de refração ligeiramente diferente , ou capacidade de “dobrar” leve. Com um tipo de vidro em camadas concentricamente em torno de um núcleo de vidro central, a luz introduzida no núcleo central não pode escapar para fora da fibra, mas está confinada a viajar dentro do núcleo:







Essas camadas de vidro são muito finas, o "revestimento" externo normalmente 125 mícrons (1 mícron =1 milionésimo de um metro, ou 10 ^-6 metros) de diâmetro. Essa finura dá à fibra uma flexibilidade considerável. Para proteger a fibra de danos físicos, ela geralmente recebe um revestimento fino de plástico, colocado dentro de um tubo de plástico, envolto em fibras kevlar para resistência à tração e recebe uma bainha externa de plástico semelhante ao isolamento de fio elétrico. Como os fios elétricos, as fibras ópticas são frequentemente agrupadas dentro da mesma bainha para formar um único cabo.

As fibras ópticas excedem o desempenho de manipulação de dados do fio de cobre em quase todos os aspectos. Eles são totalmente imunes a interferências eletromagnéticas e têm larguras de banda muito altas. No entanto, eles têm certas fraquezas.



Efeitos de Microbending em Fibras Óticas

Um ponto fraco da fibra óptica é um fenômeno conhecido como microbending . É aqui que a fibra é dobrada em um raio muito pequeno, fazendo com que a luz escape do núcleo interno, através do revestimento:







Não apenas a micro-curvatura leva à diminuição da intensidade do sinal devido à luz perdida, mas também constitui uma falha de segurança, pois um sensor de luz colocado intencionalmente do lado de fora de uma curva fechada pode interceptar dados digitais transmitidos pela fibra.

Modos em fibra óptica

Outro problema exclusivo da fibra óptica é a distorção do sinal devido a múltiplos caminhos de luz, ou modos , tendo diferentes distâncias ao longo do comprimento da fibra. Quando a luz é emitida por uma fonte, os fótons (partículas de luz) nem todos viajam exatamente no mesmo caminho. Este fato é evidentemente óbvio em qualquer fonte de luz que não esteja em conformidade com um feixe reto, mas é verdadeiro mesmo em dispositivos como lasers.

Modo único

Se o núcleo da fibra for pequeno o suficiente (cerca de 5 mícrons de diâmetro), os modos de luz são restritos a um único caminho com um comprimento. A fibra projetada para permitir apenas um único modo de luz é conhecida como fibra monomodo. Como a fibra monomodo escapa do problema de alongamento de pulso experimentado em cabos longos, é a fibra escolhida para redes de longa distância (vários quilômetros ou mais). A desvantagem, é claro, é que, com apenas um modo de luz, as fibras monomodo não conduzem tanto quanto as fibras multimodo. Em longas distâncias, isso agrava a necessidade de unidades “repetidoras” para aumentar a potência da luz.

Fibra multimodo

Se o núcleo da fibra óptica for grande o suficiente em diâmetro, ele suportará vários caminhos para os fótons viajarem, cada um desses caminhos tendo um comprimento ligeiramente diferente de uma extremidade da fibra à outra.





Estiramento de pulso

Um pulso de luz emitido pelo LED percorrendo um caminho mais curto através da fibra chegará ao detector antes que os pulsos de luz percorrendo caminhos mais longos. O resultado é a distorção das bordas de subida e descida da onda quadrada, chamada de alongamento de pulso . Este problema piora à medida que o comprimento total da fibra aumenta: