O Futuro das Comunicações Ópticas
Quality management recognized
ISO9001:2000
1
WORKSHOP
O Futuro das Comunicações Ópticas
Redes a Fibras Ópticas Plásticas
Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF
Prof. Marcelo M. Werneck
COPPE/UFRJ
2
Sumário da Apresentação

O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
LIF
LIF is a multidisciplinar laboratory for R&D in
photonics tecnolology and optical fiber,
featuring project, consultancy and research in
instrumentation, sensoring and optical fiber
systems
Nossa Equipe
O LIF conta hoje com 32 pessoas:
–
Professores
–
Pesquisadores
–
Estudantes
–
Técnicos
–
Engenheiros
–
Estagiários
–
Colaboradores externos
ISO 9001:2000
• Missão
Formar pessoas criativas e
motivadas para desenvolver
pesquisa de alta tecnologia em
instrumentação e fotônica,
oferecer soluções inovadoras e de
qualidade aos setores de energia
e biotecnologia atendendo as
necessidades dos clientes.
• Visão
Manter-se como referência
nacional de Pesquisa &
Desenvolvimento em
instrumentação e fotônica.
Linhas de Pesquisa
• Instrumentação
• Optoeletronica
• Sensores a Fibra Óptica
• Biotecnologia
• Transdutores
Sumário da Apresentação
 O LIF

O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
Comparando Fibras Ópticas
PF-GI-POF
Vantagens da POF
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
Robustez
Diâmetro grande: 600/120 m (PF-GI) ou 1 mm (PMMA-POF) :fácil de usar
Maior tolerância de alinhamento
Conectores baratos
Máquina de corte barata (gilete)
Polimento simples
Treinamento não necessário
Tempo de conectorização menor
Do-it-Yourself
Utiliza tecnologia “do século passado”: 850 nm e 1310 nm
Raio mínimo de curvatura: Cobre (CAT-A): 30 mm
SOF: 25 mm
POF:
5 mm
Desvantagens da POF
 Atenuação estupidamente grande.
A POF é pior do que a fibra óptica de sílica da época do bit lascado:
160 dB/km
 Dispersão modal estupidamente grande
A POF é super multimodo: 4 milhões de modos
 Largura de banda pequena: 10 MHz100 m
 Não é possível a emenda por fusão
11
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?

Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
Tipos de POF
Polifluorinated (PF)
Poliestireno (PS)
Poli Metil Meta Acrilato (PMMA)
Policarbonato PC
double cladding GI-POF
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF

Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
Nano-HISTÓRIA DA FIBRA ÓPTICA
 1870 - John Tyndal mostrou à Royal Society que a luz se curva
para acompanhar um esguicho de água.
 1880 - Graham Bell sugeriu o uso da luz para transmitir voz e
patenteou o “photophone”.
 1964 - As fibras apresentavam perda de 1000 dB/km
 In 1965, Charles Kao and George Hockham of the British company
Standard Telephones and Cables suggested that attenuation of
fibers was caused by impurities, which could be removed.
 Kao: se a perda da fibra for < 20 dB/km (*), seria viável transmitir
sinais a longa distância com repetidores.
 1970 - Corning Glass produziu alguns metros de fibra óptica com
perdas de 20 db/km.
(*) 20 dB/km: sobra apenas 1% da luz após 1 km.
Pak Chu, Liliana Kawase, Charles Kao, Marcelo Werneck e Masaki Naritomi, 2005
19
Atenuação em SOF
ATENUAÇÃO DA FIBRA ÓPTICA
ABSORÇÃO DA
LIGAÇÃO OH
Atenuação [dB/km]
10
850
1
1300
ESPALHAMENTO
RAYLEIGH
0.1
600
800
1550
ABSORÇÃO DA
LIGAÇÃO Si-O
1000
1200
1400
1600
Comprimento de onda [nm]
1800
2000
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF

Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
V-number - Comparação
 Sílica SM
NA=0,11 d=4 m
V-number=1,79
=1550 nm
M=1,60 (1 modo)
 Sílica MM
NA=0,23 d=50 m =860 nm
V=84,02 e M=3.529 modos
 SI POF
NA=0,5
d=1 mm
=550 nm
V-number=2860
M=4,08x106 modos (!!!!)
 PF GI POF
NA=0,185
d=120 m
=1300 nm
V-number=53
M=719 modos
PMMA POF
PCF
10000
Atenuação [dB/m]
1000
Comparação POF-PF-SOF
100
10
PF
PMMA
Silica
1
0,1
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
Comprimento de Onda [nm]
1250
1350
1450
1550
Dispersão Material
Limites do SI-POF
HVTV: 1.65 Gbps
Cabo de cobre está limitado em 8-10 m
POF/LED 25 m (*) 40 Gbps-m
6 MHz analógico com 300 m
100 Mbps Fast Ethernet com 100 m
(*) Vinogradov et al, 16th ICPOF, Turin, 2007
Set up of the Gigabit Ethernet transmission experiment at 840 nm
Limites do PCF
 Raio de curvatura 10 mm
 Baixa atenuação 0,3 dB/km @ 650 nm
0,01 dB/km @ 850 nm
 Usa VCSEL como transmissor
 PCF+VCSEL muito mais caro que POF+LED
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas

Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
Fabricação de POF
Produção de POF a Partir de Preforma
36
Fabricação de POF
Fabricação de SI-POF por Extrusão
37
Fabricação de POF
Fabricação de Preforma de GI POF por Difusão de Dopantes
Fabricação de POF
Difusão de dopantes noprocesso de co-extrusão
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF

Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
Normas e Protocolos com POF
D2B
MOST
IEEE 1394
ATM
IEEE 1394
REDES
Métodos de
Medidas
JIS
IEC
Aplicações
Automotivas
Eletronicos
Computação
IEEE 1394
Automação
CNC
SERCOS
Interbus
Profibus
Normas e Protocolos com POF
ATM – Asynchronous Transfer Mode
 Largura de banda 10 MHz.km
 c 650 nm
 155 Mbps até 50 m c/ POF
 17dB max perda no loop
 155 Mbps até 100 m c/ PCF
 6,5dB max perda no loop
Normas e Protocolos com POF
Normas e Protocolos com POF
ESPECIFICAÇÕES DO 1394.b-2002
Normas e Protocolos com POF
IEEE 1394b





Largura de banda 10 MHz.km
c 650 nm
125 Mbps até 50 m c/ POF
125 Mbps até 100 m c/ PCF
Objetivo do protocolo é estabelecer conexão
de baixo custo entre componentes IEEE
1394b
Normas e Protocolos com POF
SERCOS - SErial Realtime Comunication System
 Norma de comunicação de dados em CNC
industrial
 Sistema master-slave em anel
 Até 254 pontos
 c 650 nm
 2 Mbps
 Até 60 m c/ POF e LED
Normas e Protocolos com POF
PROFIBUS






Norma de automação industrial
POF ou cobre
Protocolo token-ring
Até 32 pontos
c 650 nm
1,5 Mbps
Normas e Protocolos com POF
D2B – Domestic Digital Bus
 Norma de comunicação de dados em
automóveis
 POF
 Interliga: computador interno, GPS, CD, rádio,
alto-falante, telefone etc
 BMW e Mercedes já utilizam
Normas e Protocolos com POF
MOST – Media Oriented System Transport

Norma de comunicação de dados em automóveis de próximas
gerações

Desde 1998, 14 grandes fabricantes de automóveis e 50
fabricantes de peças estão trabalhando na tecnologia MOST:
BMW, DaimlerChrysler e Audi lideram

Todos os BMW já utilizam MOST

POF+LED @ 22.5 Mbps, até 50 Mbps

A idéia é eliminar todos os fios elétricos dos carros

c 650 nm
Normas e Protocolos com POF
MOST – Media Oriented System Transport
HD Audio ≈ 10 MBit/s - HDTV compressed ≈ 50 MBit/s - MP3 ≈ 100MBit/s
Normas e Protocolos com POF
MOST – Media Oriented System Transport
Características de Temperatura em um Carro
Passenger area: -40°C to +85°C
Roof module and trunk: -40°C to +105°C
Engine compartment: -40°C to +125°C
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais

Novos Mercados para as POFs
 Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
(*) Jung-Wook Lee, 12th ICPOF, Seattle, 2003
(*) Jung-Wook Lee, 12th ICPOF, Seattle, 2003
Moore’s Law





In 1965, Gordon Moore, Director of Fairchild
Semiconductor's R&D Laboratories, wrote an article for
the Electronics magazine.
Moore wrote that the number of semiconductor
components had doubled per year since the first
prototype microchip was produced in 1959.
This exponential increase in the number of components
on a chip became known as Moore's Law.
In 1980s, Moore's Law was described as the doubling of
number of transistors on a chip every 18 months.
In 1990, Moore's Law became interpreted as the
doubling of microprocessor power every 18 months.
Moore’s Law
Moore’s Law
Velocidade do PC
NOVOS MERCADOS PARA TECNOLOGIA
ÓPTICA
 Surgimento no mercado de transceivers para 10 Gbps Ethernet
 Adoção doméstica da Broadband Internet
 Definição de novas Physical Layers Standards (e.g. 10GBASE-xR)
 Emergência da popularidade do Video-over-Internet
 Surgimento no mercado da HDTV (High Definition Television)
HOJE
Wireless
Cobre
Aumento do Bit Rate
FUTURO PRÓXIMO
SOF (MM)
POF (PF GI)
NOVOS MERCADOS PARA TECNOLOGIA
ÓPTICA
Aumento do Bit Rate
Em LAN
Leva à necessidade do Gigabit Ethernet (10Gbps)
Mídia: CAT-6A ou FP-GI-POF
(CAT-5 (UTP) só vai até 100 Mbps)
HOJE
PF GI POF: 10 Gbps limitado a 100 m (dispersão modal)
Com OOK ou PAM-4 até 220 m (*)
(*) Breyer et al, 16th ICPOF, Turin, 2007
Fonte: Beach Communications
Mercados para POF
Mercados para POF
O número de usuários de FTTH está crescendo em países desenvolvidos
No Japão em Março de 2007: 8.8M.
O Ministério das Comunicações do Japão prevê 30M de usuários em 2010
Terada et al, 16th ICPOF, Turin, 2007
Mercados para POF
Mercados para POF
Sumário da Apresentação
 O LIF
 O que é POF?
 Tipos de POF
 Nano história da POF
 Propriedades Ópticas
 Fabricação de POF
 Normas e Protocolos Insdustriais
 Novos Mercados para as POFs

Tecnologias Disponíveis
 Sensores a POF no LIF
MOST®OpticalPOF
Tr a n s m i t t e r a n d R e c e i v e r
Automotive multimedia applications
Home networking multimedia
applications
Designed for data rates up to 50 Mbit/s
Suitable for transmission distances up to
50 m
Extended temperature range from -40°C to
85°C
High-reliability 650 nm LED and Si
detectors
Operation at 5 V
Transmitter
650 nm LED for PMMA fiber
Owl OPTIC232 Plastic Optical Fiber (POF) Transceiver Kit
•Powered from Serial Port
•Electrical Isolation
•Up to 115.2K baud over 300 feet
•Excellent for electrical isolation
between two RS-232 devices
•Kit includes two transceiver units
and a 7-meter duplex plastic fiber
optic (POF) cable
Sensores a POF do
Laboratório de Instrumentação e
Fotônica
Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF
Prof. Marcelo M. Werneck
COPPE/UFRJ
75
Advantages of POF sensors compared to
Silica sensors when applied to electric
parameters sensing
•
•
•
•
•
•
•
Maintenance costs
More resistance to strain
Cheaper peripherical components
Easy handling
Interfaces built in laboratory
Simplicity for open optics
Cheaper support equipment
76
1,000 km long-600 kV DC
Itaipu Transmission Line
77
DC to AC Conversion Building
at São Paulo
Tyristors
AC Side
DC Side
The conversion from DC to AC
generates 3rd and 5th harmonics
78
The Harmonic Filter
C1
345/3 kV
70 kV
L1
INDUCTANCE TO
BE MONITORED
SURGE
ARRESTER
SURGE
ARRESTER
L2
R1
C2
79
The Harmonic Filter
2500
180
Impedância
90
Fase
1500
0
1000
Fase (graus)
Impedância [W ]
2000
-90
500
0
60
120
180
240
300
Harmônico [Hz]
360
-180
420
80
The Harmonic Filter
C1
L1
C2
R1
L2
81
Problem
The inductors
L1 and L2 heat
up melting
their copper
windings
Solution
Monitoring the
temperature
with a POF
sensor
82
Decaimento versus Tempo
1.0
Temperatura
B69.7C
C64.4C
C61.2C
C55.6C
C50.6C
C45.8C
C41.1C
C34.1C1
C30.4C
0.6
0.4
0.2
0.0
04/06/04
-0.2
-5
0
5
10
15
20
25
Tempo (ms)
Sensitivity = 22.5 μs/oC
Resolution ~ 3 oC.
30
35
5 .0
D e c a im e n t o
v e rs u s
T e m p e ra tu ra
4 .8
T e m p o (m s )
Amplitude (u. a.)
0.8
4 .6
4 .4
4 .2
4 .0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
T e m p e ra tu ra (° C )
83
Spectra
100
Red filter
90
Blue LED
80
Ruby Absorbance
Ruby fluorescence
70
A.U.
60
50
40
30
20
10
0
400
450
500
550
600
650
700
Wavelength [nm]
84
The Probe
INSULATOR
RUBY TIP
POF
CABLE
HIGH VOLTAGE SIDE
LOW VOLTAGE
SIDE
85
The Prototype
LED BANK
COUPLERS
PHOTODIODE
4mm DIAMETER
POF-RUBY PROBE
POWER
SOURCE
POF
86
Installation
TRANSDUCER
CONTROL BOX
87
Installation
CONTROL
BOX
COIL OF THE
FILTER
88
Preliminary
Results
80
Temperature [°C]
70
60
50
40
30
20
10
12:00 1:00
AM
AM
2:00
AM
3:00
AM
4:00
AM
5:00
AM
6:00
AM
7:00
AM
8:00
AM
9:00 10:00 11:00 12:00 1:00
AM
AM AM
PM
PM
2:00
PM
3:00
PM
4:00
PM
5:00
PM
6:00
PM
7:00
PM
8:00
PM
9:00 10:00 11:00 12:00
PM
PM
PM
AM
Time of the day
89
Current Sensor for Subestation
Distribution Lines (13.8 kV)
Portable System
Stationary System
Field Tests
TC
Field Tests Results
The Sensor (Field prototype)
OPTOELECTRONICS
CERAMIC CUP
POLYMERIC
INSULATOR
POF CABLE
Field Instalation
Field Instalation
Sensor Installed on the Tower
SENSOR
POF CABLE
CONTROL BOX
AND
TRANSMITTER
Meanwhile, 4968 km away...
INSTANTANEOUS
LEAKAGE CURRENT
INSULATOR
UNDER TEST
POWER
SUPPLY
LOCAL
TEMPERATURE
FRAME REFRESH
TIME
Telemetry of temperature and leakage current
between 1-13 Oct 2005
FRAME REFRESH
TIME
Bacteriosensor
Fiberoptic Sensor for Bacteria
FIBRA ÓPTICA
Bacteriosensor
Output power [arbitrary units]
1,2
1,0
N = 10
0
0,8
0,6
N = 80
0
0,4
N = 800
0,2
0
0,0
0
100
200
300
400
500
Time [minutes]
600
700
800
900
Probing Bacteria
12-m LONG DOUBLE
CARCASS HOSE FOR
OIL TRANSPORT
NEEDS SENSORING OF
OIL LEAKAGE
Transducer with Telemetry
INMARSAT- D+
Satelite Transmitter
INTERNET
Modem
Control Station
Router
WorkStation
Database
Internet
Router
User
RF and US Receiver
Sensor
LIF has Developed a POF
Sensor for Oil leakage
POF Sensor
Transducer in the hose
Application on
the Field
Application on
the Field
Development of a POF network for
monitoring an
Electric Power Station
The idea is interconnecting all equipment on
a substation
Ethernet
OPTICAL HUB
Acquisition Board
Acquisition
System
PME-10
Block Diagram
POF (100+ m)
POF (100+ m)
OPTICAL HUB
POF (100+ m)
Ethernet
Acquisition Board
Acquisition
System
PME-10
OPTICAL HUB
FIM
Muito Obrigado pela Atenção
112