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

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

2 2 WORKSHOP Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF Prof. Marcelo M. Werneck COPPE/UFRJ O Futuro das Comunicações Ópticas Redes a Fibras Ó pticas Pl á sticas

3 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

4 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

5 Nossa Equipe O LIF conta hoje com 32 pessoas: –Professores –Pesquisadores –Estudantes –Técnicos –Engenheiros –Estagiários –Colaboradores externos

6 ISO 9001:2000 Missão Formar pessoas criativas e motivadas para desenvolver pesquisa de alta tecnologia em instrumenta ç ão e fotônica, oferecer solu ç ões 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 instrumenta ç ão e fotônica.

7 Linhas de Pesquisa Instrumentação Instrumentação Optoeletronica Optoeletronica Sensores a Fibra Óptica Sensores a Fibra Óptica Biotecnologia Biotecnologia Transdutores Transdutores

8 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

9 PF-GI-POF Comparando Fibras Ópticas

10 Vantagens 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

11 11 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

12 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

13 Poli Metil Meta Acrilato (PMMA) Policarbonato PC Poliestireno (PS) Polifluorinated (PF) Tipos de POF

14 double cladding GI-POF

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17 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.

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

20 Atenuação em SOF

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23 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

24  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=4,08x10 6 modos (!!!!)  PF GI POF NA=0,185 d=120  m =1300 nm V-number=53 M=719 modos V-number - Comparação

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26 PMMA POF

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28 PCF

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31 Dispersão Material

32 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, 16 th ICPOF, Turin, 2007

33 Set up of the Gigabit Ethernet transmission experiment at 840 nm

34  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 PCF

35 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

36 36 Produção de POF a Partir de Preforma Fabricação de POF

37 37 Fabricação de SI-POF por Extrusão Fabricação de POF

38 Fabricação de Preforma de GI POF por Difusão de Dopantes Fabricação de POF

39 Difusão de dopantes noprocesso de co-extrusão

40 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

41 REDES Automação CNC Automação CNC Métodos de Medidas Métodos de Medidas Aplicações Automotivas Aplicações Automotivas Eletronicos Computação Eletronicos Computação ATM IEEE 1394 ATM IEEE 1394 D2B MOST IEEE 1394 D2B MOST IEEE 1394 SERCOS Interbus Profibus SERCOS Interbus Profibus JIS IEC JIS IEC Normas e Protocolos com POF

42  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 ATM – Asynchronous Transfer Mode

43 Normas e Protocolos com POF

44 ESPECIFICA Ç ÕES DO 1394.b-2002 Normas e Protocolos com POF

45  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 IEEE 1394b

46  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 SERCOS - SErial Realtime Comunication System

47  Norma de automação industrial  POF ou cobre  Protocolo token-ring  Até 32 pontos  c 650 nm  1,5 Mbps Normas e Protocolos com POF PROFIBUS

48  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 D2B – Domestic Digital Bus

49  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

50 Normas e Protocolos com POF MOST – Media Oriented System Transport HD Audio ≈ 10 MBit/s - HDTV compressed ≈ 50 MBit/s - MP3 ≈ 100MBit/s

51 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

52 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Dispon í veis  Sensores a POF no LIF

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

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55  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

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57 Velocidade do PC Moore’s Law

58 NOVOS MERCADOS PARA TECNOLOGIA Ó PTICA  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 RateFUTURO PRÓXIMO SOF (MM) POF (PF GI)

59 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, 16 th ICPOF, Turin, 2007 NOVOS MERCADOS PARA TECNOLOGIA Ó PTICA Aumento do Bit Rate Em LAN

60 Fonte: Beach Communications

61 Mercados para POF

62  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, 16 th ICPOF, Turin, 2007 Mercados para POF

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67 Sum á rio da Apresenta ç ão  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  Novos Mercados para as POFs  Tecnologias Disponíveis  Sensores a POF no LIF

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72 M O S T ® O p t i c a l P O F 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

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74 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

75 75 Sensores a POF do Laborat ó rio de Instrumenta ç ão e Fotônica Laboratório de Instrumentação e Fotônica - LIF Prof. Marcelo M. Werneck COPPE/UFRJ

76 76 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

77 77 1,000 km long-600 kV DC Itaipu Transmission Line

78 78 The conversion from DC to AC generates 3 rd and 5 th harmonics DC to AC Conversion Building at São Paulo AC Side DC Side Tyristors

79 79 The Harmonic Filter INDUCTANCE TO BE MONITORED L1 70 kV 345/  3 kV R1 L2 C1 C2 SURGE ARRESTER

80 80 The Harmonic Filter

81 81 C1 L2 R1 C2 L1 The Harmonic Filter

82 82 Problem The inductors L1 and L2 heat up melting their copper windings Solution Monitoring the temperature with a POF sensor

83 83 Sensitivity = 22.5 μs/ o C Resolution ~ 3 o C.

84 84 Spectra

85 85 RUBY TIP INSULATOR POF CABLE HIGH VOLTAGE SIDE LOW VOLTAGE SIDE The Probe

86 86 The Prototype 4mm DIAMETER POF-RUBY PROBE 4mm DIAMETER POF-RUBY PROBE POF PHOTODIODE COUPLERS LED BANK POWER SOURCE

87 87 Installation CONTROL BOX TRANSDUCER

88 88 COIL OF THE FILTER CONTROL BOX Installation

89 89 Preliminary Results

90 Current Sensor for Subestation Distribution Lines (13.8 kV) Portable System Stationary System

91 Field Tests TC

92 Field Tests Results

93 The Sensor (Field prototype) OPTOELECTRONICS POLYMERIC INSULATOR POF CABLE CERAMIC CUP

94 Field Instalation

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96 Sensor Installed on the Tower

97 SENSOR CONTROL BOX AND TRANSMITTER POF CABLE

98 Meanwhile, 4968 km away... POWER SUPPLY INSTANTANEOUS LEAKAGE CURRENT INSULATOR UNDER TEST LOCAL TEMPERATURE FRAME REFRESH TIME

99 Telemetry of temperature and leakage current between 1-13 Oct 2005 FRAME REFRESH TIME

100 FIBRA ÓPTICA Bacteriosensor Fiberoptic Sensor for Bacteria

101 Bacteriosensor

102 Probing Bacteria

103 12-m LONG DOUBLE CARCASS HOSE FOR OIL TRANSPORT NEEDS SENSORING OF OIL LEAKAGE

104

105 INMARSAT- D+ Modem Control Station Router Internet User Database WorkStation Satelite Transmitter Sensor RF and US Receiver INTERNET Transducer with Telemetry

106 LIF has Developed a POF Sensor for Oil leakage POF Sensor Transducer in the hose

107 Application on the Field

108

109 Development of a POF network for monitoring an Electric Power Station

110 The idea is interconnecting all equipment on a substation

111 Acquisition Board Acquisition System PME-10 OPTICAL HUB Ethernet POF (100+ m) Acquisition Board Acquisition System PME-10 Block Diagram POF (100+ m)

112 112 FIM Muito Obrigado pela Atenção