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Outros Dispositivos
Introdução
Nos enlaces ópticos que constituem sistemas de comunicação, novos dispositivo, além dos básicos (laser, led, fibra e fotodetetor) já mencionados, anteriormente, outros dispositivos estão sendo incorporados a eles. Novas funções requeridas pelos sistemas em conexão com os serviços prestados estão promovendo o uso. É o caso de conectores, acopladores, WDMs, amplificadores de fibras dopadas com Érbio estão entre os mais conhecidos. Compensadores de dispersão, filtros e outros estão surgindo e também se tornando comuns. Neste capítulo vamos fazer algumas considerações sobre eles.
7.1 – Outros Componentes de um Enlace
Além dos componentes básicos que acabamos de estudar temos outros componentes que fazem parte de um sistema de comunicação.. Entre eles destacamos:
- Conector - Acoplador
- WDM
- Amplificador a Fibra
Tais componentes têm diferenciadas funções em um sistema, entretanto, independente delas, eles acarretam em mudanças nas características do enlace no que concerne a perdas. Componentes como os compensadores de dispersão são componentes que afetam as características
Pd Perda Pa Vidro Vidro Ar G el etc... nn nm nn
de dispersão do enlace. Tais componentes não serão discutidos aqui.
7.2 - Conectores
Os conectores são componentes que têm como função levar o modo de propagação de uma fibra a passar para uma outra, ligando estas duas fibras. Ao ser conectado ele implicará em uma perda uma vez que dois meios, as duas fibras, irão estar em contato havendo interfaces em ambos entre eles e o meio externo. Com isto, pelo menos devido à reflexão da luz nestas interfaces, ocorrerá retorno de parte da luz incidente impedindo o seu prosseguimento ao longo do enlace e reduzindo a potência disponível. A fig.(7.2-1) ilustra o que acabamos de dizer.
A perda em uma conexão, e a idéia é a mesma para o caso de uma emenda por solda, pode ser calculada através da expressão:
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = d a c P P log 10 P (7.2-1)
onde Pa é a potência acoplada e Pd a potência disponível na ponta da fibra pela qual chega a luz.
Como sabemos, entre dois meios de índices de refração diferentes, como é o caso das fibras (nn) e do meio externo (nm), este composto de ar ou um gel, há uma reflectância igual a
2 m n m n n n n n R ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − = (7.2-2)
No caso de uma interface vidro (n=1,50) e ar (n=1), a reflectância é de aproximadamente 4%, o que significa algo próximo a 0,2 dB de perda. Apenas para recordar lembramos que as perdas em dB e em percentagem podem ser relacionadas por
(%)] x 1 log[ 10 ) dB ( y =− − (7.2-3)
Outro comentário pertinente, é que há duas interfaces numa conexão mecânica sem contato físico como vemos na fig.(7.2-2), advindo disto uma perda que é o dobro do que acabamos de estimar para uma só interface. Basta observar na eq.(7.2-2) que a permuta de índices de refração não alterará o resultado da reflectância.
Há várias formas de reduzir as perdas em um contato mecânico, como por exemplo a inserção de um gel para eliminar a variação de índice de refração entre as fibras e o meio externo. Veja na eq.(7.2-2) que quanto menor for a diferença entre os índices de refração da fibra e do meio menor serão as perdas. Particularmente, se nn fosse igual a nm as perdas seria nulas. Outros aspectos
Fig.(7.2-1) – Foto de um conector monomodo D4-SPC da XTAL fibras óptica.
sobre conectores precisariam ser discutidos, como as questões de contatos com e sem contato físico entre as fibras, mas isto foge ao objetivo específico desta seção. Há outros aspectos que produzem perdas em conexões ou emendas, como as que se seguem:
FATORES INTRÍNSECOS
- Diferença entre os diâmetros modais - Não concentricidade núcleo-casca - Abertura numérica
- Diferença de materiais das fibras
FATORES EXTRÍNSECOS
- Deslocamento Transversal - Deslocamento Angular - Qualidade do Corte das Fibras - Limpeza das Faces das Fibras
- Regulagem da Máquina de Fusão (no caso de solda) A Tab.(7.1-1) informa como se calcula algumas dessas perdas citadas.
No caso de emenda por fusão, quando há uma união física das fibras, mesmo assim também há perda na conexão.. Também neste caso é válida a eq.(7.1-1), no sentido em que se entenda a potência disponível como aquela que chega à emenda pela fibra 1 e a potência acoplada aquela que
atravessa a emenda passando a ser guiada pela outra fibra. O processo que induz a existência de perdas evidentemente não serão o da reflectância entre duas interfaces. Entretanto há uma ou mais causas, como aquelas citadas acima, que provocam a existência de perda de intensidade luminosa em uma emenda feita por fusão. Na prática emendas por fusão apresentam perdas típicas de 0,1 a 0,2 dB.
7.3 – Acopladores Ópticos
CAUSA DE PERDA CÁLCULO DA PERDA
Diferença entre Diâmetro dos Modos (ωo1 e ωo1) das Fibras 1 e
2 em Contato ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω + ω ω ω − = ω 2 2 1 o 2 1 o 2 o 1 o 2 log 10 P
Deslocamento Lateral d entre as Fibras de Diâmetro Modal ωo
⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = −ωo d NC 10log e P
Diferença entre as Aberturas Numéricas (AN1 e NA2) das
Fibras 1 e 2 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = 2 1 2 AN AN AN log 10 P
Os acopladores ópticos são dispositivos passivos feitos com a fusão de duas ou mais fibras que permitem o desvio de potência luminosa para uma derivação. A fig.(7.3-1) ilustra como é a estrutura íntima de um acoplador óptico. Na figura se vê as quatro portas do acoplador, numeradas por 1 a 4, sendo 1 a porta de entrada e as portas 2 e 3 as de saída. A porta 4 é, em geral, uma porta morta, ou seja sem uso.
Para os acopladores comuns a distribuição de potência na saída é de 50%, ou 3dB, em cada porta do dispositivo. Alguns parâmetros importantes dos acopladores são:
- Diretividade (DIR)
- Razão de Acoplamento (RA)
- Perda Intrínseca (Pi)
As quais são dadas pelas expressões apresentadas abaixo.
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = 1 4 P P log 10 DIR (7.3-1) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = 3 2 2 P P P RA (7.3-2) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − = 1 3 2 i P P P log 10 P (7.3-3)
Valores típicos para estes parâmetros dos acopladores, são os seguintes: DIR>50dB RA=3dB Pi<0,5
1
4
2
3
7.4 – WDM
processo não radiativo para um nível de energia, logo abaixo do que ele estava, no qual fica por um tempo longo se comparado com aqueles correspondentes aos processos ópticos envolvidos. Deste nível ele se recombina estimuladamente, devido à ação de um fóton do sinal, gerando um fóton de energia igual hνs, daquele que transporta a informação.
Atualmente, amplificadores com amplificação típica de 20 a 30 dB são encontrados comercialmente. Assim sendo, um amplificador é um elemento do enlace que gera ganho e não perdas como outros que analisamos anteriormente.
Os WDM são acopladores ópticos com os quais se está usando as suas propriedades espectrais, segundo as quais a razão de acoplamento depende do comprimento de onda. A dependência espectral da razão de acoplamento de um WDM. Como se pode ver, toda a potência correspondente a um modo de comprimento de onda igual a 1,3 µm estará saindo na porta 2. Já para um comprimento de onda de 1,55 µm, nenhuma potência estará na mesma porta, e por conseqüência estará na porta oposta (porta 3).
RX TX RX TX TX RX TX RX
Fig.(7.3-1) – Ilustração e um sistema tradicional (acima) e duplex com o uso de acopladores ópticos.
0.6 0.4 0.2 1.0 0.8 0.0 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 Comprimento de onda (µm) P2/(P2+ P3)
7.5– Amplificadores Ópticos
Amplificadores ópticos são dispositivos ativos capazes de gerar potência luminosa no comprimento de onda do modo propagante na fibra do enlace. A fig.(7.5-1) ilustra a estrutura de um amplificador óptico feito com fibra dopada com Érbio (Er+3).
De fato um amplificador funciona usando o processo de recombinação estimulada, nos átomos de Érbio, provocada pelos fótons (hνs) que transportam a informação. Os átomos de Érbio
que estão inseridos na fibra são opticamente excitados pelos fótons que vêm do laser de bombeio (hνb) e com isto um elétron seu é elevado a um nível de energia maior. Deste nível ele desce via um
processo não radiativo para um nível de energia, logo abaixo do que ele estava, no qual fica por um tempo longo, se comparado com aqueles correspondentes aos dos processo ópticos envolvidos. Deste nível ele se recombina estimuladamente, devido à ação de um fóton do sinal, gerando um fóton de energia igual hνs à daquele que transporta a informação. Multiplicando-se o número de
fótons amplifica-se a intensidade do sinal.
Atualmente, amplificadores com amplificação típica de 20 a 30 dB são encontrados comercialmente. Assim sendo, um amplificador é um elemento do enlace que gera ganho e não perdas, como os outros que analisamos anteriormente.
WDM Laser de Bombeio λ=1,48 µm Isolador Óptico Isolador Óptico Fibra Dopada (Er+3) Sinal (Entrada) Sinal (Saída)
