Tipos de Fibra Óptica (Monomodo vs Multimodo)

1. Definição

As fibras ópticas são filamentos cilíndricos de vidro ultra-puro (sílica - SiO₂) ou plástico que transportam luz por reflexão interna total. Em redes de telecomunicações, dividem-se em duas grandes famílias: Monomodo (SMF — Single Mode Fiber), com núcleo estreito que propaga um único modo óptico, e Multimodo (MMF — Multi Mode Fiber), com núcleo mais largo que suporta múltiplos caminhos (modos) de propagação da luz.

A diferença fundamental está no diâmetro do núcleo e na fonte luminosa utilizada. SMF usa laser de estreito espectro (linewidth < 1 nm) acoplado a um núcleo de 9 μm, permitindo apenas o modo fundamental. MMF usa LED ou VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) acoplado a um núcleo de 50 ou 62,5 μm, excitando centenas de modos que percorrem caminhos distintos.

2. Estrutura Física

Ambas as fibras têm estrutura composta por:

• Núcleo (core): vidro dopado (geralmente com germânio - GeO₂) com índice de refração maior que a casca.
• Casca (cladding): vidro puro com índice de refração menor, garantindo reflexão interna total.
• Revestimento primário (coating): acrilato de 250 μm que protege a fibra de trincas.
• Buffer: camada de 900 μm em fibra tight-buffered, ou gel em loose-tube.
• Jaqueta (jacket): material externo (LSZH, PE, PUR) de 2-3 mm em cordões simplex/duplex.

Dimensões típicas

3. Princípio Físico — Reflexão Interna Total

A luz viaja pelo núcleo porque o índice de refração do núcleo (n₁ ≈ 1,468) é maior que o da casca (n₂ ≈ 1,463). Quando um raio incide na interface núcleo-casca com ângulo maior que o ângulo crítico θc, toda a luz é refletida — fenômeno da reflexão interna total:

Para uma fibra típica, θc ≈ 80° (medido em relação à normal à interface). Isso confina a luz ao núcleo por quilômetros.

Abertura Numérica (NA)

Define o ângulo máximo de aceitação da luz na entrada da fibra:

Para SMF: NA ≈ 0,14 (aceitação de ~8°). Para MMF 50 μm: NA ≈ 0,20 (aceitação de ~12°).

4. Fibra Monomodo (SMF)

Características

• Núcleo: 8-10 μm (tipicamente 9 μm)
• Fonte luminosa: laser DFB ou FP, com largura de linha < 1 nm
• Comprimentos de onda: 1.310 nm (single-band) ou 1.550 nm (DWDM)
• Atenuação: 0,33-0,36 dB/km a 1.310 nm; 0,18-0,22 dB/km a 1.550 nm
• Banda: teoricamente ilimitada (praticamente limitada pela dispersão cromática)

Tipos conforme ITU-T G.652 / G.657

• G.652.D (Standard SMF): fibra padrão convencional (dispersão zero a 1.310 nm). Mais comum em backbones.
• G.653 (Dispersion-Shifted): dispersão zero deslocada para 1.550 nm — obsoleto, interfere em DWDM.
• G.655 (Non-Zero Dispersion-Shifted): dispersão residual não-zero a 1.550 nm, otimizada para DWDM de longa distância.
• G.657.A1/A2/B2/B3 (Bend-Insensitive): toleram curvaturas até 7,5 mm de raio (vs. 30 mm padrão), ideais para FTTH e instalações prediais.

Aplicações

• Backbone metropolitano e submarino (centenas a milhares de km)
• Inter-conexão entre datacenters
• Long-haul com amplificação EDFA
• FTTH/GPON residencial
• DWDM/CWDM multiplexado

5. Fibra Multimodo (MMF)

Características

• Núcleo: 50 μm (OM2-OM5) ou 62,5 μm (OM1)
• Fonte luminosa: VCSEL (850 nm) ou LED (1.300 nm em sistemas antigos)
• Atenuação: 2,5-3,5 dB/km a 850 nm; 0,7-1,5 dB/km a 1.300 nm
• Banda efetiva: limitada pela dispersão modal (modal dispersion)
• Distância: tipicamente 100-550 m em Ethernet de alta velocidade

Tipos conforme ISO/IEC 11801

Como nasceu o OM3/OM4

OM3 e OM4 usam processo de dopagem com flúor no núcleo para criar perfil de índice "depressed cladding", reduzindo a dispersão modal. OM5 (WideBand MMF) adiciona otimização a 953 nm para suportar SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing), permitindo 4 comprimentos de onda no VCSEL (850, 880, 910 e 940 nm).

6. Dispersão e Limitações

Dispersão Modal (somente MMF)

Os múltiplos modos percorrem caminhos de comprimentos diferentes — o modo axial chega primeiro, os modos com zig-zag chegam depois. Isso "espalha" o pulso óptico no tempo. Para fibra OM4 a 850 nm, a dispersão modal é ≈ 0,5 ps/(nm·km), limitando a banda efetiva.

Mitigação: índice de refração gradual (graded-index) no núcleo, fazendo os modos mais externos viajarem mais rápido — compensa parcialmente a diferença de caminho.

Dispersão Cromática (SMF e MMF)

A velocidade da luz no vidro depende do comprimento de onda. Como lasers reais emitem uma faixa espectral (não uma única λ), os componentes espectrais chegam em momentos distintos.

Para SMF G.652:
- D = 17 ps/(nm·km) a 1.550 nm — limita 10 Gbps a ≈ 80 km sem compensação
- D = 0 a 1.310 nm (dispersão zero)

Dispersão por Modo de Polarização (PMD — somente SMF)

A fibra real não é perfeitamente circular — pequena assimetria faz modos de polarização ortogonais viajarem em velocidades ligeiramente diferentes. PMD ≈ 0,05-0,5 ps/√km. Limita 40G/100G a ≈ 50-100 km sem compensação.

7. Atenuação — Janelas de Transmissão

A fibra de sílica tem três janelas espectrais de baixa atenuação:

Os picos de atenuação em 950, 1.380 e 1.900 nm são devidos a ressonância OH⁻ (água residual na sílica).

8. Comparativo SMF vs MMF

9. Cálculo de Enlace (Power Budget)

Para projetar um enlace óptico, calcula-se a margem de potência:

Exemplo: 1000BASE-SX sobre OM4 a 300 m

• P_tx = −5 dBm; P_rx(min) = −18 dBm
• Atenuação cabo OM4 a 850 nm: 2,5 dB/km → 0,75 dB em 300 m
• Conectores LC×2: 0,5 dB total
• Safety margin: 3 dB
• Margin = −5 − (−18) − 0,75 − 0,5 − 3 = +8,75 dB ✓ Link viável

10. Critérios de Seleção

11. Conclusão

A escolha entre fibra monomodo e multimodo é uma das decisões mais impactantes no projeto de uma rede. SMF domina em cenários de longa distância (backbone, FTTH, inter-DC) onde o limite é a atenuação; MMF domina em enlaces curtos de alta densidade (intra-rack em datacenters) onde o custo do transceiver é decisivo. Compreender as dispersões (modal, cromática, PMD), as janelas espectrais (850/1.310/1.550 nm) e as famílias de normas (ITU-T G.652/657 para SMF, ISO 11801 OM1-OM5 para MMF) é essencial para projetar enlaces ópticos que alcancem seu limite teórico e permaneçam operantes por décadas — a fibra óptica bem instalada tem vida útil superior a 25 anos e suporta upgrades sucessivos de taxa sem troca do meio.