UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
DEPARTAMENTO DE MICROONDA E ÓPTICA
Avaliação Experimental das Características de Amplificação
de Fibras de Vidro Telurito Dopado com Érbio
Reginaldo da Silva
Orientador:
Prof. Dr. Aldário Chrestani Bordonalli
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Aldário Chrestani Bordonalli – FEEC/UNICAMP – Presidente
Dr. João Batista Rosolem – CPqD
Prof. Dr. Luiz Carlos Barbosa – IFGW/UNICAMP
Prof. Dr. Cristiano de Mello Gallep – DTT/CESET/UNICAMP
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da
Universidade Estadual de Campinas, como requisito para obtenção do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA.
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA – BAE – UNICAMP
Si38a
Silva, Reginaldo da
Avaliação experimental das características de amplificação de fibras de vidro telurito dopado com érbio / Reginaldo da Silva. --Campinas, SP: [s.n.], 2008. Orientador: Aldário Chestrani Bordonalli.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
1. Érbio. I. Bordonalli, Aldário Chestrani. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.
Titulo em Inglês: Experimental evaluation of the amplification characteristics of erbium doped tellurite-glass fibers
Palavras-chave em Inglês: Erbium
Área de concentração: Telecomunicações e Telemática Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica
Banca examinadora: João Batista Rosolem, Luiz Carlos Barbosa, Cristiano de Mello Gallep
Data da defesa: 25/04/2008
Dedico esta dissertação à minha esposa Tânia, que sempre me apoiou e nunca mediu esforços para que eu pudesse atingir meus objetivos,
acreditando em mim quando nem mesmo eu acreditava; à minha mãe, familiares e amigos que estiveram
"Sofremos demasiado pelo pouco que nos falta e alegramo-nos pouco pelo muito que temos ..."
Agradecimentos
Ao Prof. Dr. Aldário C. Bordonalli, pela amigável, competente e dedicada orientação durante todo o período de realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Evandro Confort, pelo interesse amigável e competente administração do laboratório durante todo o período de realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Edson Moschim, por me aceitar inicialmente em seu projeto de pesquisa e pela confiança dedicada em meu trabalho.
A CAPES, CNPq e FAPESP, pelo apoio financeiro e pela aquisição dos equipamentos utilizados nesse trabalho de pesquisa.
Aos meus pais, por todo incentivo e apoio, a minha esposa Tânia, por tudo que ela representa para mim, e a meu irmão e demais familiares, pelo apoio, incentivo e amizade.
Aos amigos do laboratório, Adriano, Andréia, Cláudio, Ernesto, Henrique, Marcelo, Napoleão, Nicolai, Raniere e Ricardo, pelo apoio, críticas, sugestões e, principalmente, pela amizade.
Aos amigos Marco Aurélio e Armando Cezar, pelo apoio e empréstimo de máquinas e equipamentos utilizados na construção de dispositivos práticos, nas diversas fases do trabalho, e que sempre estiveram presentes, apoiando e torcendo pela realização deste objetivo.
Aos amigos Kleber, Rodrigo e Marcelo pela amizade incondicional, e por estarmos juntos durante importantes anos de nossas vidas.
Resumo
Com o atual e constante crescimento das taxas de transmissões em comunicações ópticas, a busca por novos materiais com aplicações em amplificadores ópticos tem servido de fonte de constantes pesquisas. Motivado por essa necessidade, este trabalho apresenta os resultados alcançados para uma análise experimental das características de amplificação de fibras ópticas feitas com vidro telurito dopado com érbio e sem a utilização do túlio (Tm) como co-dopante, produzidas no IFGW/ UNICAMP. Os procedimentos adotados para as medições de dois tipos de fibra (perfil de índice degrau e microestruturada) são descritos para diferentes configurações de aplicação de bombeio.
Quando comparadas às fibras de sílica dopadas com érbio, estas fibras apresentaram banda disponível para amplificação, aproximadamente, duas vezes mais ampla (~90 nm). Medindo-se as variações no nível de potência óptica de um sinal antes e depois da aplicação de bombeio, pode-se alcançar um aumento de potência de saída de até 15 dB, sugerindo propriedades de amplificação óptica, no entanto não se obteve ganho real no sistema. Este valor máximo foi obtido para amostras de 10 cm e 5 cm de fibra de perfil de índice degrau e microestruturada, respectivamente. A fragilidade da fibra dificultou o seu manuseio e impossibilitou sua conectorização, de maneira que os resultados alcançados podem, potencialmente, ser melhorados se as grandes perdas no processo de acoplamento da luz entre os diferentes materiais vítreos forem minimizadas.
Abstract
The continuous growth of the optical communication transmission rate has stimulated the search for new materials that can be applied to the manufacturing of optical amplifiers. Motivated by this, the results for an experimental analysis of the amplification characteristics of erbium doped tellurite fibers (EDTFs) without thulium co-doping are presented. The measurement procedures for two distinct fiber structures (step index and microstructured) fabricated at the IFGW/UNICAMP labs were described for different pump coupling configurations.
In comparison with erbium-doped silica fibers, the EDTF shows an available optical amplification bandwidth twice as broader (~90 nm). By measuring the optical power variations of a signal before and after pumping application, an optical output power increase as high as 15dB was possible, suggesting optical amplification properties. This maximum value was achieved for 10-cm long step index fiber and 5-cm long microstructured fiber samples. The fiber sample mechanical fragility has made difficult its manipulation and prevented its connectorization in such a way that improvement in the measured results could be attained if the high losses during light coupling among different glass materials were minimized.
Índice
Capítulo 1 - Introdução...1
Capítulo 2 – Fibra óptica de sílica e telurito...11
2.1 Propagação em dielétricos estimulados: a amplificação da luz...11
2.2 Geometria de fibras óptica...13
2.2.1 Fibra óptica padrão (casca núcleo)...13
2.2.2 Fibras microestruturadas...14
2.3 Índice de refração das fibras...16
2.3.1 Fibras de índice degrau...16
2.3.2 Fibras de índice gradual...18
2.4 Modos vibracionais das fibras ópticas...17
2.4.1 Fibras multimodo de índice degrau...18
2.4.2 Fibras multimodo de índice gradual...20
2.4.3 Fibras Monomodo...20
2.5 Fabricação de Fibras Ópticas...21
2.5.1 Cadinho Duplo...22 2.5.2 Extrusão...23 2.5.3 Deposição de Vapor...24 2.5.3.1 MCVD...24 2.5.3.2 PCVD...25 2.5.3.3 OVD...26 2.5.3.4 VAD...26
2.5.4 Bastão dentro de tubo...26
Capítulo 3 – Amplificadores óptico em fibra de sílica e vidro telurito...29
3.1 Introdução...29
3.2 Amplificadores ópticos à fibra que não utilizam dopantes na amplificação...30
3.2.1 Amplificador Raman...30
3.2.2 Amplificador Paramétrico...32
3.3 Amplificadores ópticos à fibra que utilizam dopantes no processo de amplificação...33
3.3.1 Amplificador óptico à fibra dopada com érbio...34
3.3.2 Amplificadores ópticos à fibra dopada com praseodímio e neodímio...36
Capítulo 4 – Montagem Experimental e Apresentação dos Resultados...43
4.1 Descrição das fibras analisadas...43
4.2 Montagem experimental...44
4.3 Procedimento para clivagem e alinhamento das amostras...49
4.3.1 Clivagem das fibras de sílica...49
4.3.2 Clivagem das fibras de vidro telurito...49
4.3.3 Procedimento para o alinhamento das amostras...50
4.4 Seqüência de aquisição de dados...51
4.5 Organização dos resultados...53
4.5.1 Amostras de fibra padrão...54
4.5.2 Amostras de fibra microestruturada...67
Capítulo 5 – Considerações finais...79
5.1 Sugestões para trabalhos futuros...81
Referências Bibliográficas...82
Acrônimos
CVD chemical vapor deposition deposição química de vapor
LED light emitting diode diodo emissor de luz
IM/DD intensity modulation / direct detection modulação de intensidade e
detecção direta
EDFA erbium doped fiber amplifier amplificador óptico a fibra dopada
com érbio
PDFA praseodimium doped fiber amplifier amplificador óptico a fibra dopada
com praseodímio
NDFA neodimium doped fiber amplifiers amplificador óptico a fibra dopada
com neodímio
FRA fiber Raman amplifier amplificador Raman
OPA optical parmetric amplifier amplificador óptico paramétrico
WDM wavelenght division multiplexing multiplexação por divisão em
comprimento de onda
IDC International Data Corporation -
EDTF erbium doped tellurite fiber amplificador óptico a fibra de
vidro telurito dopado com érbio MCVD modified chemical vapour deposition deposição química modificada de
vapor
PCVD plasma chemical vapour deposition deposição química de plasma
OVD outside vapour deposition deposição externa de vapores
VAD vapour axial deposition deposição axial de vapor
SOA semiconductor optical amplifier amplificador óptico a
semicondutor
LD laser diode diodo laser
OSA optical spectrum analyzer analisador de espectro óptico
ASE amplified spontaneous emission emissão espontânea amplificada
dB decibel decibel
SRS stimulated Raman scattering espalhamento Raman estimulado
FWM four wave mixing mistura de quatro ondas
ESA excited state absortion absorção do estado excitado
FC/APC fiber connector / angled physical contact conector de fibra/contato físico
angulado
Lista de símbolos
µ0 permeabilidade magnética no vácuo
ε0 permissividade elétrica do vácuo
H intensidade do campo magnético
B densidade de fluxo magnético
D densidade de fluxo (deslocamento) elétrico
E intensidade de campo elétrico
c velocidade da luz no vácuo ω freqüência angular
ϕ
fase de ondavf velocidade de fase da onda
k número de onda
n índice de refração λ comprimento de onda α constante de atenuação
fi tensão do oscilador
N número de elétrons por unidade de volume τ tempo de vida
E2 nível de energia 2
E1 nível de energia 1
N1 número de elétrons excitados no nível de energia E1
N2 número de elétrons excitados no nível de energia E2
f freqüência do campo incidente
f₀ freqüência da emissão quântica do átomo
∆f largura espectral (pontos de meia potência ou 3 dB) da emissão quântica do átomo
k0ε′′/2 fator de amplificação do dielétrico estimulado
ε′ parte real da permissividade
ε′′ parte imaginária da permissividade sin(
φ
c) ângulo críticoAN abertura numérica
Lista de figuras
Figura 2.1 – Seção transversal de uma fibra óptica e perfil do índice de refração de uma fibra de (I) índice degrau e (II) índice gradual...13 Figura 2.2 – Ilustração dos padrões dos buracos em uma fibra fotônica ...14 Figura 2.3 – Perfil da fibra óptica microestruturada utilizada nesse trabalho ...14 Figura 2.4 – Propagação de um raio luminoso em uma fibra óptica com índice degrau...15 Figura 2.5 – Propagação de um raio luminoso em uma fibra óptica de índice gradual...17 Figura 2.6 – Corte radial em fibras multimodo de índice degrau e a representação do perfil do índice de refração ...18 Figura 2.7 – Corte radial em fibras multimodo de índice gradual e a representação do perfil do índice de refração ...19 Figura 2.8 – Corte radial em fibras monomodo de índice gradual e dispersão deslocada e a representação do perfil do índice de refração ...20 Figura 2.9 – Método do cadinho duplo...21 Figura 2.10 – Método de extrusão...22 Figura 2.11 – (a) Fotografia mostrando a secção de uma ferramenta que define o modelo de saída da pré-forma, (b) Pré-forma de fibra de vidro telurito extrudada de 1 mm de diâmetro externo, (c) Fibra PCF de telurito e (d) Vista da transmissão de uma PCF de telurito observado por microscópio ...23 Figura 2.12 – Secção longitudinal em tubo de sílica, no processo MCVD ...24 Figura 2.13 – Processo de fabricação de bastão e tubo de vidro telurito ...26
Figura 2.14 – Em (a) apresenta-se o tubo, os capilares e o bastão, e em (b) a pré-forma da fibra
microestruturada ...26
Figura 2.15 – Parte do sistema usado na fabricação de fibras microestruturadas de vidro telurito ...27
Figura 2.16 – Imagens das fibras microestruturadas antes (A) e depois (B) de aplicar-se o sistema de evacuação de ar, através de uma bomba de vácuo mecânica ...27
Figura 3.1 – Bandas das comunicações ópticas comerciais ...29
Figura 3.2 – Diagrama do processo de amplificação Raman ...30
Figura 3.3 – Diagrama de energia de um processo de amplificação paramétrico ...32
Figura 3.4 – Espectro de ASE típico de um EDFA...34
Figura 3.5 – Representação do diagrama de energia de um amplificador óptico à fibra dopada com érbio...35
Figura 3.6 – Secção eficaz de emissão dos íons de Er3+em diversas matrizes vítreas ...38
Figura 3.7 – Representação da eficiencia quântica devido à dopagem de íons Er2O3 da fibra de vidro telurito ...39
Figura 3.8 – Níveis de energia dos íons de Tm3+ e Ho3+ e métodos de inversão de população do nível 3F4 ...40
Figura 4.1 – Montagem experimental utilizada para as medições das características de amplificação de várias amostras de fibras de vidro telurito dopadas com érbio...43
Figura 4.2 – Representação da atuação do filtro no lóbulo do laser sintonizavel...44
Figura 4.3 – Alinhamento e aproximação entre a fibra de adaptação e uma das extremidades de uma amostra de EDTF...45
Figura 4.4 – Pontos de fixação para as extremidades não-conectorizadas das fibras ópticas sobre os suportes de acrílico...46
Figura 4.5 – Foto dos suportes de acrílico utilizado como base de fixação pára fibras sem conectores em suas extremidades...47
Figura 4.7 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bi-direcional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 5 cm ...53
Figura 4.8 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante, tendo
a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 5 cm...54 Figura 4.9 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF padrão de 5 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante...55 Figura 4.10 – Espectro de saída para a amostra de EDTF padrão de 5 cm e aplicação do sinal de 0 dBm à sua entrada, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...56 Figura 4.11 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bi-direcional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 10 cm...57
Figura 4.12 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 10 cm...58 Figura 4.13 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF padrão de 10 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante...58 Figura 4.14 – Espectro de saída para a amostra de EDTF padrão de 10 cm e aplicação do sinal de 0 dBm à sua entrada, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...59 Figura 4.15 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bidirecional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 15 cm ...60
Figura 4.16 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 15 cm...61 Figura 4.17 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF padrão de 15 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante...61 Figura 4.18 – Espectro de saída para a amostra de EDTF padrão de 15 cm e aplicação do sinal de 0 dBm à sua entrada, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...62
Figura 4.19 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bi-direcional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 20 cm...63
Figura 4.20 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 20 cm...63 Figura 4.21 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF padrão de 20 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante...64 Figura 4.22 – Espectro de saída para a amostra de EDTF padrão de 20 cm e aplicação do sinal de 0 dBm à sua entrada, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...64 Figura 4.23 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bidirecional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra padrão de 5 cm ...66
Figura 4.24 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra microestruturada de 5 cm...67 Figura 4.25 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF microestruturada de 5 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio
como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante.
...68 Figura 4.26 – Espectro de saída para a amostra de EDTF microestruturada de 5 cm e aplicação do sinal de 0 dBm à sua entrada, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...69 Figura 4.27 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bidirecional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra microestruturada de 10 cm...70
Figura 4.28 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo o bombeio como parâmetro, para amostras de fibra microestruturada de 10 cm...70 Figura 4.29 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF microestruturada de 10 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio
como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b)
Figura 4.30 – Espectro de saída para a amostra de EDTF microestruturada de 10 cm e aplicação do sinal de 0 dBm, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...72 Figura 4.31 – Espectros do (a) sinal na saída da EDTF, tendo a potência de sinal como parâmetro, e (b) ASE para bombeio bidirecional, tendo a potência de bombeio como parâmetro, para amostras de fibra microestruturada de 15 cm...72
Figura 4.32 – Espectros de ASE+ para bombeio (a) co-propagante e (b) contra-propagante,
tendo o bombeio como parâmetro, para amostras de fibra microestruturada de 15 cm...73 Figura 4.33 – Espectros de saída para o comprimento de amostra de EDTF microestruturada de 15 cm com a aplicação de um sinal de 0 dBm à entrada da fibra, tendo a potência de bombeio
como parâmetro, para bombeio (a) co-propagante e (b)
contra-propagante...74 Figura 4.34 – Espectro de saída para a amostra de EDTF microestruturada de 15 cm e aplicação do sinal de 0 dBm, tendo a potência do bombeio bidirecional como parâmetro...75
Capítulo 1
- Introdução
Descobrir o que é a luz e os fenômenos a ela relacionados sempre despertou a curiosidade do homem. Existem relatos desde a antiguidade sobre reflexão, refração, visão, utilização de espelhos e lentes, propagação, velocidade, origem e natureza da luz.
Onda ou partícula? Eis as principais concepções a respeito da natureza da luz que ocuparam boa parte do tempo, da história e da vida dos cientistas que se dedicaram a estudar esse assunto. Os principais foram Christiaan Huygens (1629-1695) e Isaac Newton (1642-1727), que defenderam a teoria ondulatória e a corpuscular, respectivamente.
Em relação à velocidade, alguns a consideravam infinita, enquanto outros a diziam ser finita. Depois de algum tempo e muitos trabalhos, principalmente os de Olaüs Röemer (1644-1710), Armand Hypolitte Louis Fizeau (1819-1896) e Jean Bernard L´eon Foucault (1819-1868), verificou-se que a velocidade da luz é muito alta, porém finita.
A relação das cores com o movimento vibratório levou Robert Hooke (1635-1703) a afirmar que o movimento da luz é produzido por ondas perpendiculares à linha de propagação [1].
A partir de 1870, pesquisas começaram a ser realizadas no intuito de se saber mais sobre a propagação da luz em diferentes meios. Neste ano John Tyndall demonstrou que era possível a propagação guiada da luz em um jato de água bem fino. Muito se fez até que, em 1910, os alemães Hondros e Debye concluíram uma analise teórica completa sobre a propagação da luz em cilindros de materiais dielétricos, estrutura básica das futuras fibras ópticas. Foram
necessários 20 anos até que um outro alemão, Lamb, implementasse as primeiras experiências de transmissão de luz em fibras de vidro [2].
Uma fibra óptica é produzida com vidro ou plástico de alta qualidade e consiste de núcleo e casca. O guiamento se dá através do núcleo transparente, por reflexão interna total na casca da fibra. Do ponto de vista das telecomunicações, determinadas propriedades físicas da fibra óptica limitam a largura de banda de transmissão e o comprimento do enlace óptico nos sistemas que não utilizam repetidores, ou seja, sem amplificação ou reformatação do sinal. A absorção da luz no núcleo da fibra e na casca (causadas por impurezas) e os possíveis vazamentos de luz através da casca acarretam a redução da amplitude do sinal e, em conjunto, são chamados de atenuação. Além disto, a dependência da velocidade da luz no meio com o índice de refração e os atrasos devido a características de guiamento da fibra podem deformar os bits de informação sendo transmitidos, gerando a chamada dispersão. Assim, parâmetros como a capacidade de informação e distância sobre a qual o sistema pode operar são determinados pela atenuação e/ou dispersão da fibra utilizada no enlace óptico.
Na década de 60, o desafio para a produção comercial de fibras ópticas foi o de reduzir as impurezas no material de maneira que a atenuação caísse para menos de 20 dB/km, o que levou a avanços no processo e tecnologia de materiais ópticos [3]. Vários pesquisadores, incluindo AT&T Bell Laboratories, NASA e empresas de comunicação, assim como companhias envolvendo produção de lentes e vidros de alta qualidade, começaram a se empenhar na redução da atenuação abaixo de 20 dB/km. Este valor é muito grande e corresponde a reduzir 99% da potência óptica a cada quilômetro de fibra (depois de cada trecho de um quilômetro resta somente 1% da potência que existia no início do mesmo trecho). Mesmo assim, os resultados eram bastante promissores e foi grande o estímulo para a pesquisa de materiais e de novas estruturas tanto para a fibra óptica como para o laser de semicondutor.
O primeiro grupo de pesquisadores a conseguir baixar a atenuação a menos de 20 dB/km foi o da Corning na década de 1970. Já em 1978, a Corning detinha 200 patentes de materiais e processos, dentre eles o processo de deposição química de vapores (CVD – chemical vapor
deposition). Nessa mesma década de 1970, dois tipos de fibras com diferentes características
foram desenvolvidos, as fibras multimodo e monomodo. A fibra multimodo foi a primeira a ser desenvolvida e possuía as seguintes características:
- a fibra pode guiar a luz com alta eficiência e, portanto ser usada com fontes de luz de baixo custo, como os diodos emissores de luz (LED – light emitting diode);
- não requer grande precisão em conectores devido ao grande diâmetro do núcleo permitindo assim larga tolerância nas conexões;
- possuem limitações na largura de banda e podem sofre altas perdas.
A fibra monomodo, mais recente e com avanço tecnológico sobre a anterior, possui as seguintes características:
- a largura de banda pode ser da ordem de vários gigabits por segundo e menor atenuação;
- pequeno diâmetro do núcleo (10 µm) requer o uso de diodos lasers para acoplamento eficiente e conectores extremamente precisos.
Também na década de 1970, no Instituto de Física (IFGW) da UNICAMP, um grupo de pesquisadores desenvolvia uma técnica de fabricação de fibra óptica contando com financiamento estatal da Telebrás. O Brasil passava, assim, a fazer parte de um pequeno grupo de países que tentava obter o conhecimento necessário para a fabricação da fibra óptica. Na época, a fibra prometia grandes avanços para os sistemas de telefonia, que eram baseados em fios de cobre. Em abril de 1977, a equipe da Unicamp conseguiu fabricar a primeira fibra óptica brasileira. O passo seguinte ocorreu no CPqD (na época, o centro de pesquisa e desenvolvimento da Telebrás), onde se desenvolveu a planta piloto de fabricação de fibra. Num exemplo de pesquisa, desenvolvimento e industrialização, em 1980, a indústria nacional já produzia fibras ópticas comercialmente [4].
Já do ponto de vista de um sistema óptico completo, há a necessidade de dispositivos complementares que permitam interligar todo circuito óptico aos equipamentos do sistema, como, fontes de luz, detectores de luz e cabos [5]. Assim, o desenvolvimento destas fontes e receptores de luz, cada vez mais rápidos e de vida útil maior, juntamente com o desenvolvimento de um meio de transmissão mais adequado (fibras ópticas), abriu os horizontes para o nascimento de uma nova tecnologia, as comunicações ópticas. Um sistema básico de transmissão é constituído por três blocos básicos: o transmissor óptico, o receptor óptico e o meio físico (a própria fibra óptica ou guia de onda).
O transmissor óptico é composto por uma fonte luminosa e o circuito driver associado. A fonte de luz (elemento ativo básico do sistema) é o responsável pela tarefa de conversão dos sinais elétricos em ópticos. Esse dispositivo deve ser pequeno, ter baixo consumo, ser estável
com relação à temperatura e fornecer maior potência óptica de saída possível. Duas fontes principais despontaram nos transmissores ópticos a partir da década de 70: o LED e o diodo laser.
A invenção da tecnologia laser nos Laboratórios Bell (Bell Labs) em 1960 impulsionou os esforços de investigação e desenvolvimento de dispositivos ópticos. O ponto central na fabricação de fontes de luz é que estas deveriam produzir luz eficientemente (alta freqüência e alta intensidade) e a baixo custo, além de gerar um feixe estreito que pudesse ser acoplado ao núcleo da fibra. Os diodos emissores de luz foram desenvolvidos ao final da década de 1960 a um custo relativamente baixo e funcionando em temperaturas acima da temperatura ambiente e com tempo de vida útil relativamente longo. Devido seu largo espectro, foi principalmente utilizado em associação com a fibra multimodo. A fonte que realmente impulsionou os sistemas de comunicação óptica a partir de em meados dos anos 70 foi o diodo laser (LD – injection laser
diodes). Os LDs são mais eficientes que os LEDs e suportam melhor maiores taxas de dados,
sendo indicados para serem associados às fibras monomodo, devido a sua largura espectral estreita. Já o circuito alimentador da fonte luminosa do transmissor tem funções de polarização elétrica e de modulação do sinal óptico através da corrente de polarização do dispositivo. Além disto, pode conter circuitos de controle de temperatura e de emissão da potência óptica. A capacidade de transmissão (assim como a potência emitida por um transmissor óptico) é função do tipo de dispositivo emissor de luz utilizado.
O receptor óptico é composto de um dispositivo fotodetector e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotodetector (elemento ativo) é quem converte os sinais ópticos em sinais elétricos compatíveis com os equipamentos tradicionais de comunicação. No processo de fotodetecção, os fótons absorvidos pelo material semicondutor (fotodiodo) fazem transitar elétrons da banda de valência para a de condução, desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico. Assim sendo, o fotodiodo opera de maneira inversa à do laser ou LED e sua estrutura deve ser compatível com as taxas de transmissão utilizadas. Além disto, esses dispositivos devem apresentar características como longo tempo de vida, robustez, baixo tempo de resposta e estabilidade a variações de temperatura, além de possuírem de tamanho reduzido compatíveis aos da fibra e alta sensibilidade para os comprimentos de onda de interesse. No circuito amplificador-filtro, o sinal recebe um tratamento adequado para a leitura. Uma boa atuação do amplificador-filtro garante maior alcance na transmissão, com a conversão do sinal com um mínimo de distorção e ruído. A qualidade de um receptor óptico é medida pela sua
sensibilidade, a qual especifica a potência luminosa mínima necessária para determinado desempenho em termos de relação sinal-ruído (S/N) ou de taxa de erros de transmissão [6].
Assim, as distâncias entre transmissor e receptor em um sistema de comunicação óptica são determinadas pelos limites de eficiência do par transmissor/receptor e pela atenuação e dispersão da fibra. Com o aumento da distância dos enlaces ópticos, surge a necessidade de se amplificar e/ou reformatar o sinal, ao ponto que este processo compense as perdas e distorções e permita que o sinal chegue ao receptor com potência suficiente e formato adequado para detecção com baixos erros. Até o início dos anos 90, os regeneradores ópticos eram os únicos dispositivos que implementavam a correção das degradações impostas ao sinal num enlace óptico.
O regenerador óptico converte o sinal óptico degradado em sinal elétrico. Neste domínio, realiza-se todo o processo de amplificação e reformatação do sinal. Na saída, o sinal eletrônico recuperado é novamente transformado para o domínio óptico e re-acoplado ao enlace. Com o crescimento da demanda, houve a necessidade de se aumentar a capacidade de transmissão dos sistemas ópticos. Infelizmente, o regenerador, na época, além do circuito eletrônico, empregava fontes ópticas e fotodetectores, o que encarecia o seu custo e forçava a transmissão de apenas um canal óptico pela fibra. Desta forma, o aumento da capacidade de transmissão teve que ser feito por meio de incremento na taxa de transmissão, que passou a crescer significativamente. Assim, os circuitos eletrônicos responsáveis pela regeneração do sinal tornaram-se ainda mais caros e complexos, o que fez com que a busca por novas tecnologias de amplificação e reformatação de sinal tornasse cada vez mais necessárias.
Uma nova técnica de transmissão e recepção de sinais, baseada na sincronização de fontes ópticas distintas, surgiu nos anos 80 e proporcionou maior sensibilidade ao receptor do sistema (ordem de 12 a 15 dB), tendo, então, sido adaptada aos regeneradores ópticos. Com a diminuição do valor de mínima potência óptica necessária para a detecção confiável da informação, conseguiu-se aumentar ainda mais a distância entre repetidores para um mesmo tipo de fibra utilizada. Além disto, a técnica coerente proporcionou alternativas em relação à modulação em intensidade e detecção direta (IM/DD – intensity modulation / direct detection) que, até então, era o formato de modulação dominante nos sistemas ópticos. De fato, os sistemas coerentes puderam operar modulados em freqüência ou fase, sendo que o melhor desempenho (sensibilidade) foi alcançado para este último formato de modulação. Além da polarização da luz, o grande problema do sistema coerente era o aumento de custo ocasionado pela utilização de um laser
extra, chamado de laser local, que, na recepção, operava em sincronismo (freqüência e fase) com o sinal que estava sendo transmitido. Felizmente, com o aparecimento das fibras de dispersão deslocada, o processamento do sinal ficou mais simples (apenas amplificação), o que diminuiu o custo do regenerador e compensou o laser extra. Porém, a transmissão ainda permanecia monocanal. Em 1987, um sistema coerente de 400 Mb/s conseguiu operar sem repetidores para uma distância de cerca de 290 km. Esta tecnologia também proporcionou a conecção intercontinental através de cabos submarinos. Em 1988, Taiwan foi conectada ao continente via um cabo óptico submarino de 104 km sem repetidores, operando em 1.550 nm e com uma taxa de transmissão de 420 Mb/s [7].
Em 1988, começaram a aparecer menções na literatura da possibilidade de utilizarem-se amplificadores ópticos em sistemas de comunicação. A pesquisa nesta área tornou-se interessante, já que, se estes amplificadores pudessem amplificar linearmente em um faixa em torno de um comprimento de onda central de transmissão, poderiam substituir os repetidores e evitar seu alto custo e complexidade eletrônica [8]. Enquanto os regeneradores optoeletrônicos utilizam conversão do domínio óptico para o domínio eletrônico retornando novamente ao domínio óptico, os amplificadores ópticos atuam somente no domínio óptico. A amplificação óptica é baseada no processo de emissão estimulada entre, principalmente, dois níveis de energia que mantêm inversão de população. Nesse processo, novos fótons são gerados com mesma energia, fase, direção e polarização dos fótons incidentes na entrada do dispositivo. Apesar do amplificador óptico a semicondutor ter sido o primeiro tipo de amplificador para sistemas de comunicação, o qual utiliza o mesmo mecanismo dos lasers, porém, sem realimentação capaz de criar a cavidade ressonante [9,10], foi somente após os amplificadores à fibra que se obteve amplificação com baixa intermodulação e indiferente ao formato da informação e à taxa de transmissão. Diversos tipos de amplificadores ópticos a fibra foram desenvolvidos, entre eles:
• Amplificador óptico a fibra dopada com elementos das terras raras: por exemplo, Érbio (EDFA – erbium doped fiber amplifier), Praseodímio (PDFA – praseodimium doped fiber
amplifier) e Neodímio (NDFA – neodimium doped fiber amplifiers);
• Amplificador Raman (FRA – fiber Raman amplifier);
• Amplificador óptico paramétrico (OPA – optical parmetric amplifier).
Além dos processos distintos envolvidos na geração de amplificação óptica, os quais são tratados mais detalhadamente no Capítulo 3, a faixa de operação e a largura de banda de
amplificação destes amplificadores são os fatores mais importantes na diferenciação entre eles. Foi a partir do aparecimento destes amplificadores que sistemas com mais de um canal de transmissão se tornaram viáveis. Hoje em dia, a multiplexação por divisão em comprimento de onda (WDM – wavelength division multiplexing), associada ao baixo custo operacional do IM/DD, é a tecnologia de transmissão a longa distância mais utilizada. De fato, os sistemas WDM e o aumento na taxa de transmissão podem impulsionar um grande crescimento na capacidade de transmissão dos sistemas atuais. Por exemplo, o número de conexões de banda larga no Brasil deve chegar a 10 milhões até 2010, uma alta de 47% em relação às quase 6,8 milhões que estavam registradas em junho de 2007. E a expansão do setor deve continuar - diz noticia distribuída pela Reuters - independentemente de um crescimento econômico menos forte. Esta informação tem como fonte de levantamento a IDC (International Data Corporation), empresa líder em inteligência de mercado, consultoria e conferências nos segmentos de tecnologia da informação e telecomunicações, e o fabricante de equipamentos de rede Cisco. Em nota, diz que a expansão ocorre apoiada em um ambiente de forte demanda reprimida existente, principalmente, em cidades médias do país. Além disto, tendo-se em vista que a recente e irreversível convergência dos serviços de voz, vídeo e dados na Internet vem estressando os limites das tecnologias de redes atuais, sugestões de novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas e outras aprimoradas. Serão necessários, no futuro próximo, serviços cada vez mais sofisticados a custos de operação reduzidos.
Infelizmente, não se pode apenas aumentar indiscriminadamente o número de canais dos sistemas WDM ou a taxa de transmissão enviada pelo sistema, para suprir esta demanda. Principalmente no primeiro caso, o número possível de canais fica limitado, principalmente, pela banda de operação dos amplificadores ópticos. A combinação da faixa de operação de alguns tipos de amplificadores pode fornecer o aumento desejado na banda de amplificação, porém a um custo de maior complexidade em arranjos (como, por exemplo, EDFA+PDFA) ou da necessidade de fontes de bombeio de altíssimas potências (EDFA+FRA). Existem amplificadores, como o FOPA, que podem fornecer ampla banda disponível e, até, conversão de comprimento de onda, porém, problemas de ordem prática têm impedido sua utilização comercial.
É interessante destacar que os amplificadores ópticos apresentados até agora têm, em sua grande maioria, a sílica como matriz vítrea. Porém, nada impede que outros materiais vítreos substituam e/ou complementem os atuais amplificadores a base de vidro de sílica, numa busca
pelo aumento de banda. Diversos sistemas vítreos vêm competindo nesta área, como vidros fluoretos, vidros calcogenetos1 e vidros fosfatos. Todos apresentam vantagens e desvantagens. Um sério competidor para a composição de amplificadores é o sistema de vidros fluoretos, porém sofre do problema dos vidros serem do tipo higroscópicos2. Vidros calcogenetos são difíceis de serem preparados e vidros fosfatos não agüentam altas concentrações de terras raras sem apresentarem problemas. Assim, os vidros baseados em óxido de telúrio, os vidros teluritos, despontam como os materiais com maior potencial para substituírem ou melhorarem as características de amplificadores a base de vidros de sílica. As fibras ópticas de vidros teluritos dopadas com íons de terras raras apresentam características como baixo ponto de fusão, ampla largura de banda amplificação, especialmente se co-dopadas com Túlio (Tm), dentre outras.
Na década de 70, os vidros telurito ganharam destaque nas pesquisas como materiais promissores na produção de dispositivos acústico-ópticos, tais como os moduladores de luz. Os vidros teluritos mostram-se de boa qualidade óptica, com 80% de transmitância na faixa espectral entre 470 e 2700 nm. Observou-se, também, que óxido de Érbio (Er2O3) é altamente solúvel em
vidros teluritos. A possibilidade de se doparem vidros teluritos com altas concentrações dos íons de Er3+ permitiu a fabricação de alguns dispositivos ópticos, tais como mini-lasers e fibras [11,12]. Os vidros teluritos apresentam uma região espectral de transmissão razoável, estabilidade em termos de resistência à corrosão, baixa energia de fônons, alto índice de refração linear e não linear, que fazem dele um forte candidato para a fabricação de dispositivos, como amplificadores ópticos em fibra.
Em particular, a maioria das referências encontradas na literatura sobre vidros teluritos dopados com Érbio apresenta o Túlio como co-dopante. Neste caso, obtém-se um amplificador de ampla banda, porém, a custa de um processo mais complexo de composição vítrea e de um problema intrínseco que requer um esquema de aplicação de bombeio em cascata fora dos comprimentos de onda de bombeio já comerciais. Assim, este trabalho apresenta os resultados alcançados para uma análise experimental das características de amplificação de fibras ópticas
1
Os vidros calcogenetos são um grupo de materiais vítreos inorgânicos que possuem um ou mais elementos calcogênios (S, Se ou Te) adicionados a elementos eletropositivos, tais como, As ou Ge, entretanto outros elementos como P, Sb, Bi, Si, Sn podem ser usados. Eles são transparentes na região do infravermelho e apresentam energias de absorção da ordem de 2 eV característico de materiais semicondutores (1-3 eV) [13].
2
Materiais capazes de absorver, reter ou eliminar água são chamados de higroscópicos. Eles procuram sempre estabelecer um equilíbrio de umidade com o ar em redor. A água em um material higroscópico causa sempre um aumento de pressão de vapor sobre a superfície do mesmo. Quando esta pressão e a pressão do vapor de água da atmosfera ao redor são iguais, fala-se de um equilíbrio de umidade. Toda diferença entre estas pressões acarreta numa troca de água [14].
feitas com vidro telurito dopado com Érbio e sem a utilização do Túlio (Tm) como co-dopante. As fibras em questão foram desenvolvidas pelo grupo de fibras ópticas do IFGW/UNICAMP. Os procedimentos adotados para as medições de duas estruturas de fibra (perfil de índice degrau e microestruturada) são descritos para diferentes configurações de aplicação de bombeio. Foram utilizadas essas duas estruturas com o intuito de comparar os valores entre elas, dado que a fibra microestruturada possui características inéditas, tendo assim como parâmetro a fibra casca núcleo.
Inicialmente, no Capítulo 2, apresenta-se uma pequena introdução sobre dielétricos e, em seguida, uma descrição sobre a geometria e tipos de fibras ópticas de sílica e de vidro telurito. Aproveita-se, também, para descrever as principais técnicas de produção de fibras ópticas.
Dado que este trabalho analisa duas estruturas diferentes de fibras ópticas de vidro telurito dopado com Érbio, o Capítulo 3 faz uma apresentação sucinta de alguns tipos de amplificadores ópticos baseados em fibras. Por questões de organização de texto, os primeiros tipos de amplificadores a serem tratados não utilizam dopantes em sua estrutura. Na seqüência, os amplificadores à fibra com dopagem são discutidos, partindo-se daqueles com base vítrea de sílica e chegando-se às estruturas de vidro telurito.
O Capítulo 4 apresenta uma descrição dos procedimentos experimentais adotados para as medições das características de amplificação da fibra de vidro telurito dopada com Érbio (EDTF – erbium doped tellurite fiber) e os resultados alcançados. Assim sendo, a primeira parte trata das amostras de fibra que foram analisadas e a montagem experimental adotada. Na seqüência, os procedimentos de clivagem e alinhamento das fibras são discutidos, finalizando-se com a os passos adotados para a aquisição de dados antes da apresentação dos resultados obtidos.
Por fim, apresentam-se, no Capítulo 5, as conclusões e propostas para trabalhos futuros relacionados às fibras ópticas de vidro telurito dopadas com Érbio.
Capítulo 2
- Fibra óptica de sílica e telurito
Neste capítulo aborda-se, uma pequena introdução sobre dielétricos estimulados, e em seguida uma descrição sobre a geometria e tipos de fibras ópticas de sílica e de vidro telurito. As equações apresentadas nesse capítulo têm como base o Apêndice A.
2.1
Propagação em dielétricos estimulados: a amplificação da luz
Da formulação clássica, obtem-se que a atenuação é proporcional a eαz, com α e z positivos. Assim se for possível que um meio apresente α negativo, pode-se fazer com que a atenuação a propagação da onda eletromagnética diminua ao percorrer o dielétrico. Permitindo assim que a onda se amplifique no interior do meio.
Do ponto de vista físico, sempre que o campo interage com um elétron, há dissipação de energia por efeito Joule. Essa energia aquece o meio e é responsável pelas perdas nos dielétricos e nos condutores. Portanto, para que haja amplificação do sinal um dos fatores necessários é que uma fonte externa transfira energia continuamente para os campos, afim de que estes superem as perdas pelo efeito Joule. Usando-se a teoria clássica, não se pode prever um meio que amplifique a luz. Entretanto, o mesmo problema do dielétrico dispersivo da seção anterior, quando tratado sob a óptica da mecânica quântica, permite o aparecimento de valores negativos para ε′′ isto é, apresenta-se a possibilidade de um meio dielétrico amplificar a onda eletromagnética.
A idéia central pode ser exposta da seguinte maneira: suponha que uma fonte externa consiga continuamente criar, no interior do dielétrico, elétrons no estado quântico excitado (nível
E2), em número elevado que supere os elétrons existentes no nível E1. Além disto, admita-se que
a intensidade do campo incidente no dielétrico, (Ex), seja alto e que sua freqüência seja igual à freqüência do estado quântico coerente, no qual o elétron excitado emita energia eletromagnética durante a transição do nível E2 para o nível E1.
Ao injetarem-se elétrons no dielétrico surgem dois fenômenos concorrentes. O primeiro é a emissão espontânea de um fóton, pela transição aleatória do nível E2 para o nível E1. Esse processo espontâneo é diretamente proporcional ao número (N2) dos elétrons excitados e inversamente, ao tempo de vida (τ) desses elétrons. O segundo fenômeno é a emissão estimulada de um fóton através da transição estimulada de nível E2 para o E1.
Essa emissão do fóton dá-se em sincronismo com o campo elétrico (Ex) da onda a ser amplificada. O número de fótons emitidos na unidade de tempo por esse processo é proporcional à intensidade do campo Ex e ao excesso (N2-N1) dos portadores excitados no nível E2 em relação aos portadores do nível E1. Esse último fenômeno é responsável pela amplificação da luz, visto que a energia é emitida em sincronismo (mesma fase) e na mesma direção de propagação do campo incidente. Em compensação, o primeiro processo (emissão espontânea) somente rouba a energia dos elétrons excitados, pois emite fótons sem sincronismo e em direções aleatórias. Dessa forma, para que haja amplificação real da luz incidente (representada pelo campo Ex), é necessário que a emissão estimulada domine sobre a soma da emissão espontânea com as perdas residuais, (devido ao espalhamento da luz, imperfeições do dielétrico, etc).
A análise do processo acima descrito, através da mecânica quântica, resulta na seguinte expressão para o valor da parte imaginaria da permissividade, ε′′, não computando as perdas residuais [8],
(
) ( )
" 1 2 3 0 2 2 0 ( ) 1 1 ( ) 2 1 4 / espontâneo N N n v v v v λ ε ε τ π − = ∆ + − ∆ (2.1)onde N2 é o número de elétrons excitados no nível de energia E2 por unidade de volume, N1 é o número de elétrons no nível E1 por unidade de volume; f = ω/2π é a freqüência do campo incidente; fo = (ε2-ε1)/h é a freqüência da emissão quântica do átomo; ∆f é a largura espectral
(pontos de meia potência ou 3dB) da emissão quântica do átomo, n é o índice de refração do dielétrico; e τespontâneo é o tempo de vida média dos elétrons excitados.
Ao propagar-se no dielétrico estimulado (N2 > N1), o valor de ε′′ é negativo e, consequentemente, a onda eletromagnética será amplificada segundo a equação:
" 0 0 [( ) / 2] ( ) k z j t z x x E =E e ω β− e ε α− (2.2)
onde k0ε′′/2 é o fator de amplificação do dielétrico estimulado (N2 > N1), α/2 é a atenuação residual do dielétrico. Em acréscimo, o valor da parte real da permissividade, ε′, para f ≅ f0 é dado por [8]:
' 2(v0 v) " ' v
ε = − ε ε+
∆ (2.3)
2.2
Geometria de fibras óptica
2.2.1 Fibra óptica padrão (casca núcleo)
Podem-se fabricar fibras ópticas com diversas ligas de vidros e polímeros. Uma fibra óptica consiste de um núcleo (core) central cilíndrico envolvido por uma camada denominada de casca (cladding). Fibras ópticas de vidro são bastante resistentes desde que sua superfície não seja arranhada, desta forma, outro revestimento polímero externo é encontrado na configuração destas fibras para maior proteção. A região central possui um índice de refração ligeiramente maior que a periferia. Fibras de telecomunicação são feitas de sílica pura sendo o núcleo dopado com GeO2
e outros dopantes. Também são usados, como por exemplo, pentóxido de fósforo (P2O5),
alumínio e fluorenos. Esses elementos alteram algumas propriedades dos vidros, como a viscosidade e o ponto de fusão, alterando consequentemente o índice de refração do núcleo [7, 15].
Podem-se produzir fibras ópticas em diversos diâmetros, entretanto, as fibras padrões para telecomunicação possuem o diâmetro do núcleo e da casca tipicamente da ordem de 8 µm e 125
µm, respectivamente.
Existem dois tipos de perfis de índices de refração para as fibras ópticas mais comumente encontradas, conhecidos como índice degrau e índice gradual. Nas fibras com índice degrau, o índice de refração entre o núcleo e a casca varia abruptamente, enquanto que nas fibras com índice gradual o índice de refração decresce gradualmente do centro à interface núcleo-casca. A seção transversal e o perfil do índice de refração de uma fibra de índice degrau e gradual são mostrados na, Fig. 2.1.
Figura 2.1 – Seção transversal de uma fibra óptica e perfil do índice de refração de uma fibra de (I) índice degrau e (II) índice gradual.
Na Fig. 2.1, os diâmetros do núcleo e da casca são definidos por a e b, respectivamente, enquanto n0 representa o índice de refração do ar.
2.2.2 Fibras microestruturadas
Fibras ópticas microestruturadas têm atraído crescente interesse desde o inicio dos anos 1990. O fato mais interessante se deve a característica de ampla variedade de efeitos ópticos que podem ser alcançados com um arranjo apropriado dos padrões de buracos na forma final da fibra, assim como os padrões dos furos como mostrado pela Fig. 2.2. Esse tipo de fibra possui enorme potencial de aplicação em diversas áreas que necessitam de alta largura de banda, como telecomunicações e sensores de alta precisão aplicados à astronomia, etc [16].
Figura 2.2 – Ilustração dos padrões dos buracos em uma fibra fotônica [16].
A diferença entre as fibras microestruturadas e as fibras fotônicas (photonic band gaps
fibers) é que as estruturas das fibras fotônicas geralmente envolvem diferentes diâmetros nos
padrões dos buracos, e a deformação desses buracos podem resultar em funções ópticas indesejáveis.
Como resultado, as deformações nos buracos necessitam ser bem entendidas para que níveis de perdas sejam minimizados ou compensados por novos projetos apropriados da preforma [16].
Na Fig. 2.3, apresenta-se o perfil da fibra microestruturada que se analisou nesse trabalho.
Figura 2.3 – Perfil da fibra óptica microestruturada utilizada nesse trabalho [17].
A Fig. 2.3 apresenta em corte radial uma fibra microestruturada de vidro telurito. Essa fibra foi fabricada pelo grupo de pesquisa do IFGW (Instituto de Física Gleb Watghin) supervisionado pelo Prof. Dr. Luiz Carlos Barboza. A fibra possui as seguintes caracteristicas, fibra
microestruturada de vidro telurito dopada com Érbio, núcleo de aproximadamente 12 µm e diâmetro total de aproximadamente 125 µm. O vidro foi produzido com a seguinte composição, 71 TeO2 - 22.5 WO3 - 5.0 Na2O - 1.5 (+5000 ppm) Nb2O5 (%mol). Adicionalmente o núcleo foi
dopado com 7500 ppm Er2O3.
2.3
Índice de refração das fibras
Nesta seção descrevem-se as variações dos índices de refração das fibras ópticas, que se dividem basicamente em dois grupos, índice degrau e índice gradual.
2.3.1 Fibras de índice degrau
Tendo como base as definições da óptica geométrica pode-se demonstrar o mecanismo de funcionamento interno de uma fibra óptica. Apesar de simples representa-se fielmente o comportamento dos feixes de luz ao se propagarem no interior da fibra ótica.
Em uma fibra de índice de refração degrau os raios incidentes na interface ar fibra se afastam da normal devido à refração causada pela diferença dos índices de refração como mostrado na Fig. 2.4.
Figura 2.4 – Propagação de um raio luminoso em uma fibra óptica com índice degrau.
A Fig. 2.4 representa um corte longitudinal em uma fibra óptica com variação degrau de índice de refração. O índice de refração do ar é indicado por n0, o índice de refração do núcleo
por n1 e o índice de refração da casca da fibra óptica por n2. O ângulo θi representa o afastamento
do feixe de luz a partir do eixo central da fibra e θr o ângulo de incidência do feixe de luz. O ângulo de refração θr é obtido a partir da seguinte relação, (Lei de Snell), [18]:
0 i 1 r
n s inθ =n sinθ (2.4)
Uma nova refração será sofrida pelo feixe quando este incidir na interface entre o núcleo e a casca. No entanto, esta refração somente será possível quando, sin
φ
<n2/n1. A equação (2.5) define o ângulo critico, onde qualquer feixe de luz que incida na interface casca/núcleo com ângulo menor que esse perderá o guiamento, não sendo conduzido pelo nucleo da fibra:2 1
c
sinφ =n / n (2.5)
Como os feixes sofrem diversas reflexões ao longo do comprimento da fibra, apenas feixes com φ > φc permanecerão confinados no núcleo da fibra.
O ângulo máximo que o feixe incidente pode ter para permanecer confinado no núcleo é determinado pelas equações (2.4) e (2.5). Da Fig. 2.4, nota-se que θr = π/2- φc. Assim:
2 2 1 2
0 1 1 2
/
AN c
n sinθ =n cosφ =( n −n ) (2.6)
A quantidade n0 sinθAN é definida como abertura numérica (AN) de uma fibra óptica, que
representa a capacidade da fibra de conduzir ao núcleo os feixes de luz incidentes. Se n1 ≅ n2, a
abertura numérica será, aproximadamente:
1 2
1 2 1 2 1
/
AN=n ( ∆) com ∆ =( n - n ) / n (2.7)
onde ∆ é a variação relativa do índice de refração na interface núcleo-casca. O valor de ∆ dever ser o maior possível permitindo-se maior entrada de luz na fibra, garantindo-se assim seu guiamento [19].
2.3.2 Fibras de índice gradual
Nestas fibras, o índice de refração varia gradualmente a partir de um valor máximo n1
diminuindo radialmente na direção da casca até um valor mínimo n2, como na Fig. 2.5.
n0 n > n n > n 1 1 0 2 n n1 2
Figura 2.5 – Propagação de um raio luminoso em uma fibra óptica de índice gradual.
Utilizando-se novamente as definições da óptica geométrica representa-se na Fig. 2.5 a propagação de raios de luz no interior de uma fibra óptica de índice gradual. Na interface ar fibra, o comportamento do feixe incidente é idêntico às fibras de índice de refração degrau, com abertura numérica limitada pelo ângulo de incidência do feixe.
O índice de refração na maioria das fibras de índice gradual varia na forma quadrática decrescente. O caminho percorrido por feixes com maior ângulo de incidência será maior, entretanto a velocidade dos feixes varia ao longo do percurso devido à variação do índice de refração. Isto é, feixes propagando-se ao longo do eixo da fibra percorrem um caminho menor, porém, com velocidade menor, consequentemente feixes que percorrem maior caminho terão velocidades maiores. Esse fenômeno óptico serve para compensar, a dispersão modal, que é menor em fibras ópticas graduais [20].
2.4
Modos vibracionais das fibras ópticas
Nesta secção apresenta-se o comportamento dos modos vibracionais de propagação das ondas eletromagnética no núcleo das fibras ópticas.
Modos são padrões estáveis em que uma onda pode propagar-se através de um guia de onda. O comprimento de onda e o tamanho (forma) e a natureza do guia de onda determinam
quais modos podem propagar pelo guia. O número de modos possíveis aumenta com o diâmetro do guia de onda, e depende também do comprimento de onda a ser guiado [19].
Essas fibras são divididas em duas categorias, de acordo com os modos de propagação da luz em seu interior. São elas, fibras multimodo e fibras monomodo. As fibras multimodo (MMF –
multimode fiber) são fibras que possuem vários modos de propagação, a qual se permite que os
raios de luz percorram por diversos caminhos no interior da fibra. Esta característica esta presente em fibras de índice degrau e nas fibras de índice gradual [19]. Já as fibras monomodo (SMF –
single mode fiber) possuem um único modo de propagação, ou seja, os raios de luz percorrem o
interior da fibra por um só caminho.
2.4.1 Fibras multimodo de índice degrau
Estas fibras possuem núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca, e possuem diâmetro do núcleo variável, entre 50 e 200
µm. Os raios de luz refletem na casca em vários ângulos, resultando em comprimentos de
caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o atraso do sinal ao longo da fibra e limita a largura de banda do cabo. Este fenômeno é chamado dispersão modal. A atenuação é elevada ( >5 dB/km em 850 nm), fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias [19]. Na fibra multimodo com índice degrau, o núcleo e a casca estão claramente definidos. A Fig. 2.6 representa um corte radial em uma fibra multimodo de índice degrau e o perfil do índice de refração.
Figura 2.6 – Corte radial em fibras multimodo de índice degrau e a representação do perfil do índice de refração [19].
2.4.2 Fibras multimodo de índice gradual
Nas fibras multimodo com índice gradual, altera-se o núcleo da fibra proporcionando uma variação gradual do índice de refração. Na Fig. 2.7, apresenta-se o corte radial e o perfil do índice de refração de uma fibra multimodo de índice gradual.
Figura 2.7 – Corte radial em fibras multimodo de índice gradual e a representação do perfil do índice de refração [19].
O objetivo desse perfil é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade na fibra, de maneira a reduzir-se a dispersão modal. O núcleo tem, tipicamente, entre 50 e 125 µm e a atenuação é menor que a fibra multimodo degrau, (cerca de 3 dB/km). A variação do índice de refração permite a redução do alargamento do pulso óptico. Na prática, a essa variação de índice faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e chegue à outra extremidade da fibra praticamente ao mesmo tempo, aumentando a banda passante e, conseqüentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica. As Figs. (2.4) e (2.5), representam os caminhos ópticos percorridos no interior das fibras com índice degrau e gradual respectivamente [19].
2.4.3 Fibras monomodo
As fibras monomodo possuem suas dimensões mais reduzidas que as fibras multimodo. Contudo, as características destas fibras são muito superiores às multimodos, principalmente no que diz respeito à banda passante, mais larga, o que aumenta a capacidade de transmissão.
Apresenta atenuação mais baixa (da ordem de 1 dB/km), aumentando, com isto, a distância entre as transmissões.
Na Fig. 2.8 apresenta-se o corte radial em uma fibra multimodo de índice degrau e dispersão deslocada.
Figura 2.8 – Corte radial em fibras monomodo de índice gradual e dispersão deslocada e a representação do perfil do índice de refração [19].
As fibras monomodo do tipo dispersão deslocada (dispersion shifted) têm concepção mais moderna que as anteriores e apresentam características com muitas vantagens, como baixíssima atenuação e largura de banda larga. Contudo, apresentam desvantagem quanto à fabricação, que exige técnicas avançadas e conecções de alta precisão, com custo superior quando comparadas com as fibras do tipo multimodo.
2.5
Fabricação de fibras ópticas
Existem vários métodos para a fabricação de fibras ópticas de vidro, alguns mais simples, outros mais sofisticados. Cada um dos métodos é usado em aplicações diferentes e oferecem certas vantagens. Os métodos classificam-se de acordo com o processo de fabricação das pré-formas. A pré-forma e um bastão que contém todas as características da fibra óptica, mas possui dimensões macroscópicas. A segunda etapa de fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.Os principais métodos classificam-se em quatro grupos:
1 Cadinho duplo. 2 Extrusão.
3 Deposição de Vapor.
MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition). PCVD (Plasma Chemical Vapour Deposition). OVD (Outside Vapour Deposition).
VAD (Vapour Axial Deposition). 4 Bastão dentro tubo.
2.5.1 Cadinho Duplo
Utilizado para a fabricação de fibras de vidros com baixa temperatura de amolecimento, os chamados de vidro mole (soft glass). Estes são os vidros fluoretos e teluritos, os quais têm uma temperatura de amolecimento inferior a 600 °C. Uma das desvantagens deste método de fabricação consiste em não se poder controlar o diâmetro do núcleo da fibra, o qual pode influenciar nos modos guiados pelo núcleo. Assim, não há um controle preciso da abertura numérica da fibra. Na Fig. 2.9, posiciona-se o cadinho 1 dentro do 2, de modo que sejam depositados os materiais relativos ao núcleo e a casca da fibra, respectivamente. Em seguida colocam-se os cadinhos dentro de um forno, permitindo que ao serem aquecidos os materiais fluam por orifícios nas bases dos cadinhos, formando-se a pré-forma [17].
Forno Forno Nucleo Casca Cadinho 1 Cadinho 2 Fibra
2.5.2 Extrusão
Este método é usado na fabricação de fibras de materiais de baixíssima temperatura de amolecimento. Usado, principalmente, para a fabricação de fibras de polímeros, os quais têm uma temperatura de amolecimento inferior a 200 °C. A Fig. 2.10 ilustra o processo de fabricação de uma fibra pelo método de extrusão. Entretanto pré-formas de vidros teluritos, com aplicações em fibras fotônicas, podem ser fabricadas por este método [21].
Os materiais do núcleo e da casca são posicionados no interior de um cilindro, e posteriormente coloca-se todo o sitema em um forno. Depois de aquecidos um pistão pressiona o material, forçando o a passar por uma abertura na parte de baixo do dispositivo, permitindo assim dar forma a pré-forma da fibra.
Forno Forno Nucleo Fibra Casca Núcleo Pistão
Figura 2.10 – Método de extrusão.
A Fig. 2.11 ilustra algumas caracteristicas e modelos de fibras produzidas utilizando-se o método de extrusão.
Figura 2.11 – (a) Fotografia mostrando a secção de uma ferramenta que define o modelo de saída da pré-forma, (b) pré-forma de fibra de vidro telurito extrudada de 1 mm de diâmetro externo, (c) fibra PCF de telurito e (d) região de transmissão de uma PCF de telurito observado por microscópio [21].
2.5.3 Deposição de Vapor
Estes quatro métodos, apresentados a seguir, têm a característica em comum de a partir da deposição vapores químicos formarem a pré-forma.
2.5.3.1 MCVD
Deposição de vapor químico modificado, (MCVD – modified chemical vapour deposition). Este processo consiste na deposição de camadas de materiais no interior de um tubo de sílica pura (SiO2). O tubo de sílica serve de casca para a fibra óptica, enquanto que os materiais depositados
em seu interior formarão o núcleo da fibra. Coloca-se o tubo de sílica na posição horizontal em um torno óptico que o mantém girando em torno de seu eixo. No interior do tubo são injetados gases (cloretos do tipo SiCl4, GeCl4, etc.) com concentrações controladas. Um queimador
percorre o tubo no sentido longitudinal elevando a temperatura no interior do tubo para 1500 °C aproximadamente. Os gases, quando atingem a região de alta temperatura, reagem com o oxigênio formando óxidos como SiO2, GeO2, etc. liberando o Cl2. Ocorre então a deposição de
