1 Quality management recognized ISO9001:2000 O Futuro das Comunicações Ópticas.

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Quality management recognized Quality management recognized ISO9001:2000ISO9001:2000

O Futuro das Comunicações ÓpticasO Futuro das Comunicações Ópticas

WORKSHOP WORKSHOP

Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF Prof. Marcelo M. Werneck

COPPE/UFRJ

O Futuro das Comunicações O Futuro das Comunicações ÓpticasÓpticas

Redes a Fibras Ópticas Plásticas Redes a Fibras Ópticas Plásticas

Sumário da ApresentaçãoSumário da Apresentação O LIFO LIF O que O que éé POF? POF?

Tipos de POFTipos de POF

Nano história da POFNano história da POF

Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas

Fabricação de POFFabricação de POF

Normas e Protocolos InsdustriaisNormas e Protocolos Insdustriais

Novos Mercados para as POFsNovos Mercados para as POFs

Tecnologias DisponTecnologias Disponííveisveis

Sensores a POF no LIFSensores a POF no 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

• MissãoFormar 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.

• VisãoManter-se como referência nacional de Pesquisa & Desenvolvimento em instrumentação e fotônica.

Linhas de PesquisaLinhas de Pesquisa

• InstrumentaçãoInstrumentação

• OptoeletronicaOptoeletronica

• Sensores a Fibra ÓpticaSensores a Fibra Óptica

• BiotecnologiaBiotecnologia

• TransdutoresTransdutores

Sumário da ApresentaçãoSumário da Apresentação O LIFO LIF

O que é POF?O que é POF? Tipos de POFTipos de POF

PF-GI-POF

Comparando Fibras ÓpticasComparando Fibras Ópticas

Vantagens da POFVantagens da POF 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 POFDesvantagens 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 MHz100 m

Não é possível a emenda por fusão

Sumário da ApresentaçãoSumário da Apresentação O LIFO LIF O que O que éé POF? POF?

Tipos de POFTipos de POF Nano história da POFNano história da POF

Poli Metil Meta Acrilato (PMMA)

Policarbonato PCPoliestireno (PS)

Polifluorinated (PF)

double cladding GI-POF

Sumário da ApresentaçãoSumário da Apresentação

O LIFO LIF

O que O que éé POF? POF?

Nano história da POFNano história da POF Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas

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.

19Pak Chu, Liliana Kawase, Charles Kao, Marcelo Werneck e Masaki Naritomi, 2005

Atenuação em SOFATENUAÇÃO DA FIBRA ÓPTICA

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Comprimento de onda [nm]

ação

ABSORÇÃO DA LIGAÇÃO OH

1300 1550ESPALHAMENTO

RAYLEIGH ABSORÇÃO DA LIGAÇÃO Si-O

ATENUAÇÃO DA FIBRA ÓPTICA

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Comprimento de onda [nm]

ação

ABSORÇÃO DA LIGAÇÃO OH

1300 1550ESPALHAMENTO

RAYLEIGH ABSORÇÃO DA LIGAÇÃO Si-O

Tipos de POFTipos de POF Nano história da POFNano história da POF

Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas Fabricação de POFFabricação de POF

Sílica SM NA=0,11 d=4 m =1550 nm

V-number=1,79 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

V-number - Comparação

PMMA POF

Comparação POF-PF-SOF

350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550

Comprimento de Onda [nm]

Silica

Comparação POF-PF-SOF

350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550

Comprimento de Onda [nm]

Silica

Dispersão Material

Limites do SI-POFLimites do SI-POF

HVTV: 1.65 Gbps HVTV: 1.65 Gbps

Cabo de cobre está limitado em 8-10 mCabo de cobre está limitado em 8-10 m

POF/LED 25 m (*) 40 Gbps-mPOF/LED 25 m (*) 40 Gbps-m

6 MHz analógico com 300 m6 MHz analógico com 300 m

100 Mbps Fast Ethernet com 100 m100 Mbps Fast Ethernet com 100 m

(*) Vinogradov et al, 16th ICPOF, Turin, 2007

Set up of the Gigabit Ethernet transmission experiment at 840 nm

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

Limites do PCFLimites do PCF

Fabricação de POFFabricação de POF Normas e Protocolos InsdustriaisNormas e Protocolos Insdustriais

Produção de POF a Partir de Preforma

Fabricação de SI-POF por Extrusão

Fabricação de Preforma de GI POF por Difusão de Dopantes

Fabricação de POFFabricação de POFDifusão de dopantes noprocesso de co-extrusão

Normas e Protocolos InsdustriaisNormas e Protocolos Insdustriais Novos Mercados para as POFsNovos Mercados para as POFs

REDESREDES

AutomaçãoCNC

Métodos de Medidas

AplicaçõesAutomotivas

EletronicosComputação

ATMIEEE 1394

D2BMOST

IEEE 1394

D2BMOST

IEEE 1394

IEEE 1394IEEE 1394

SERCOSInterbusProfibus

JISIEC

Normas e Protocolos com POFNormas e Protocolos com POF

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

ATM – Asynchronous Transfer ModeATM – Asynchronous Transfer Mode

ESPECIFICAÇÕES DO 1394.b-2002ESPECIFICAÇÕES DO 1394.b-2002

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

IEEE 1394bIEEE 1394b

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

SERCOS - SErial Realtime Comunication SystemSERCOS - SErial Realtime Comunication System

Norma de automação industrial POF ou cobre Protocolo token-ring Até 32 pontos c 650 nm 1,5 Mbps

PROFIBUSPROFIBUS

Norma de comunicação de dados em automóveis

POF Interliga: computador interno, GPS, CD, rádio,

alto-falante, telefone etc BMW e Mercedes já utilizam

D2B – Domestic Digital BusD2B – Domestic Digital Bus

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

MOST – Media Oriented System TransportMOST – Media Oriented System Transport

HD Audio ≈ 10 MBit/s - HDTV compressed ≈ 50 MBit/s - MP3 ≈ 100MBit/s

MOST – Media Oriented System TransportMOST – Media Oriented System TransportCaracterísticas de Temperatura em um CarroPassenger area: -40°C to +85°CRoof module and trunk: -40°C to +105°CEngine compartment: -40°C to +125°C

Novos Mercados para as POFsNovos Mercados para as POFs Tecnologias DisponTecnologias Disponííveisveis

(*) Jung-Wook Lee, 12th ICPOF, Seattle, 2003

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 LawMoore’s Law

Velocidade do PC

Moore’s LawMoore’s Law

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)

HOJEWireless Cobre

Aumento do Bit RateFUTURO PRÓXIMO SOF (MM) POF (PF GI)

Leva à necessidade do Gigabit Ethernet (10Gbps)Mídia: CAT-6A ou FP-GI-POF

(CAT-5 (UTP) só vai até 100 Mbps)

HOJEPF 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

NOVOS MERCADOS PARA TECNOLOGIA ÓPTICA

Aumento do Bit RateEm LAN

Fonte: Beach Communications

Mercados para POFMercados 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 POFMercados para POF

Tecnologias DisponíveisTecnologias Disponíveis Sensores a POF no LIFSensores a POF no LIF

M O S T ® O p t i c a l P O FTr a n s m i t t e r a n d R e c e i v e r

Automotive multimedia applicationsHome networking multimediaapplications

Designed for data rates up to 50 Mbit/sSuitable for transmission distances up to 50 mExtended temperature range from -40°C to 85°CHigh-reliability 650 nm LED and Si detectorsOperation at 5 VTransmitter650 nm LED for PMMA fiber

•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

Owl OPTIC232 Plastic Optical Fiber (POF) Transceiver Kit Owl OPTIC232 Plastic Optical Fiber (POF) Transceiver Kit

Sensores a POF doLaboratório de Instrumentação e

Fotônica

Sensores a POF doLaboratório de Instrumentação e

Fotônica

Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF Prof. Marcelo M. Werneck

COPPE/UFRJ

Advantages of POF sensors compared to Silica sensors when applied to electric

parameters sensing

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

1,000 km long-600 kV DC Itaipu Transmission Line

The conversion from DC to AC generates 3rd and 5th harmonics

DC to AC Conversion Building at São Paulo

AC SideAC Side

DC SideDC Side

TyristorsTyristors

The Harmonic FilterThe Harmonic Filter

INDUCTANCE TO BE MONITORED

70 kV70 kV

345/3 kV345/3 kV

SURGE ARRESTERSURGE ARRESTER

SURGE ARRESTER

60 120 180 240 300 360 420Harmônico [Hz]

Impedância

L2R1C2

ProblemProblem

The inductors L1

and L2 heat up

melting their

copper windings

The inductors L1

and L2 heat up

melting their

copper windings

SolutionSolution

Monitoring the

temperature with

a POF sensor

Monitoring the

temperature with

a POF sensor

Sensitivity = 22.5 μs/oC Resolution ~ 3 oC.

SpectraSpectra

400 450 500 550 600 650 700

Wavelength [nm]

Red filter

Blue LED

Ruby Absorbance

Ruby fluorescence

400 450 500 550 600 650 700

Wavelength [nm]

Red filter

Blue LED

Ruby Absorbance

Ruby fluorescence

RUBY TIPRUBY TIP

INSULATORINSULATOR

POF CABLE

HIGH VOLTAGE SIDE

HIGH VOLTAGE SIDE LOW VOLTAGE

LOW VOLTAGE SIDE

The ProbeThe Probe

The PrototypeThe Prototype

4mm DIAMETERPOF-RUBY PROBE

POFPOF

PHOTODIODEPHOTODIODECOUPLERSCOUPLERSLED BANKLED BANK

POWER SOURCE

InstallationInstallation

CONTROL BOXCONTROL BOX

TRANSDUCERTRANSDUCER

COIL OF THE FILTER

CONTROL BOX

InstallationInstallation

Preliminary Results

12:00AM

1:00AM

2:00AM

3:00AM

4:00AM

5:00AM

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7:00AM

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10:00AM

11:00AM

12:00PM

1:00PM

2:00PM

3:00PM

4:00PM

5:00PM

6:00PM

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9:00PM

10:00PM

11:00PM

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Time of the day

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11:00PM

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Time of the day

Current Sensor for Subestation Distribution Lines (13.8 kV)

Portable System Stationary System

Field Tests

Field Tests Results

The Sensor (Field prototype)The Sensor (Field prototype)

OPTOELECTRONICSOPTOELECTRONICS POLYMERIC INSULATOR

POLYMERIC INSULATOR POF CABLEPOF CABLECERAMIC CUPCERAMIC CUP

Field InstalationField Instalation

Sensor Installed on the TowerSensor Installed on the Tower

SENSORSENSOR

CONTROL BOX AND

TRANSMITTER

CONTROL BOX AND

TRANSMITTER

POF CABLEPOF CABLE

Meanwhile, 4968 km away...

POWER SUPPLY

INSTANTANEOUS LEAKAGE CURRENT

INSULATOR UNDER TEST

LOCAL TEMPERATURE

LOCAL TEMPERATURE FRAME REFRESH

FRAME REFRESH TIME

Telemetry of temperature and leakage current between 1-13 Oct 2005

FRAME REFRESH TIME

FIBRA ÓPTICA

Bacteriosensor Fiberoptic Sensor for Bacteria

Bacteriosensor

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000,0

N0 = 800

N0 = 80

N0 = 10

Time [minutes]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000,0

N0 = 800

N0 = 80

N0 = 10

Time [minutes]

Probing Bacteria

12-m LONG DOUBLE CARCASS HOSE FOR

OIL TRANSPORT

12-m LONG DOUBLE CARCASS HOSE FOR

OIL TRANSPORT

NEEDS SENSORING OF OIL LEAKAGE

INMARSAT- D+

ModemControl Station

Router

Internet

DatabaseWorkStation

Satelite TransmitterSatelite Transmitter

SensorSensorRF and US ReceiverRF and US Receiver

INTERNET

Transducer with Telemetry

LIF has Developed a POF LIF has Developed a POF Sensor for Oil leakageSensor for Oil leakage

POF SensorPOF Sensor

Transducer in the hose

Application on Application on the Fieldthe 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

Acquisition Board

Acquisition System

PME-10

OPTICAL HUB

Ethernet

POF (100+ m)

Acquisition Board

Acquisition System

PME-10

Block Diagram POF (100+ m)

FIMFIM

Muito Obrigado pela AtençãoMuito Obrigado pela Atenção

1 Quality management recognized ISO9001:2000 O Futuro das Comunicações Ópticas.

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