PAPER FIBRAS ÓPTICAS FIBRAS ÓPTICAS

Introdução

Este curso tem o objetivo de apresentar os principais componentes de redes locais em fibras ópticas, bem como a composição sistêmica destas.

As comunicações ópticas não constituem um privilégio deste século. Desde cedo, o homem soube aproveitas as fontes luminosas existentes para fins de comunicações à longa distância. O Sol serviu como base para os primeiros sistemas de comunicações ópticas conhecidos. As distâncias eram limitadas pela sensibilidade dos receptores ópticos disponíveis na época, os olhos humanos.

Em 1910, os alemães Hondros e Debye realizaram a primeira análise teórica completa sobre a propagação eletromagnética em cilindros dielétricos. Em 1930, o alemão Lamb desenvolveu as primeiras experiências de transmissão de luz em fibras de vidro.

Os altos níveis de perdas de potência luminosa apresentada na época pelas fibras de vidro restringiram sua aplicação a distâncias muito curtas. Com a invenção do laser em 1958 e sua primeira utilização em 1960, os esforços de pesquisa e desenvolvimento em comunicações ópticas tiveram um novo impulso.

Os primeiros sistemas de transmissão com fibras ópticas começaram a ser instalados no campo, testados e operados, a partir de 1976. Estes primeiros sistemas operavam na janela de 850 nm. Esses sistemas proliferaram nos EUA, Japão e Europa, e eram baseados na utilização de diodos laser (LED), fotodiodos PIN e APD com fibras multimodo, apresentando atenuação da ordem de 3 a 6 dB/Km.

A segunda geração de sistemas ópticos se utilizava de fibras multimodo e operava na janela de 1300 nm. Esses sistemas foram implantados na maior parte dos países desenvolvidos no período de 1980-1981. Essa geração de sistemas continua a ser implantada até hoje em alguns países.

A terceira geração de sistemas ópticos inicia-se em 1984 e caracteriza-se pela introdução das fibras monomodo operando na janela de 1300 nm. Esses sistemas, como apresentavam baixa dispersão, permitiram que se pudesse transmitir dados em altas velocidades (800 Mbps) com distâncias de até 40 Km.

Vários sistemas experimentais operando com fibras monomodo na janela de 1550 nm, foram considerados os precursores da quarta geração de sistemas de comunicações ópticas. Eram implantados sistemas com alcances de até 102 Km com taxa de transmissão de 140 Mbps.

Hoje em dia já existem sistemas experimentais operando com capacidade de até 40 Gbps, o que se apresentava inimaginável até a concepção da Quarta geração de sistemas ópticos. Para tanto são utilizadas técnicas de aproveitamento da capacidade da fibra, como por exemplo WDM.

1CARACTERÍSTICAS DA LUZ... 5 1.1 Física Clássica ... 5 1.2 Teoria Eletromagnética ... 5 1.3 Física Quântica ... 6 2ONDAS... 7 2.1 ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO... 7 2.2 ÍNDICE DE REFRAÇÃO ... 8 2.2 REFLEXÃO E REFRAÇÃO ... 8 2.3 RAIOS DE LUZ... 9

2.4 ÂNGULO CRÍTICO E REFLEXÃO INTERNA TOTAL... 9

3COMPONENTES ÓPTICOS... 11

3.1 Fibra Óptica ... 11

3.2 Tipos de Fibras Ópticas... 12

3.3 Fibra de Índice degrau (step index) ... 13

3.4 Fibra de Índice gradual (graded index)... 13

3.5 Fibra Monomodo ... 14

3.6 Estrutura Física Básica... 15

3.7 Propagação ... 15

3.8 Abertura Numérica... 16

3.9 Perfil de Índice de Refração ... 16

3.10 Característica das Perdas nas Fibras Ópticas... 17

3.11 Emissores Ópticos... 17 3.12 LED... 17 3.13 Diodo Laser... 18 3.14 Receptores Ópticos... 18 3.15 Componentes Passivos... 18 3.15.1 Conectores ... 18 Conectores Tipo SC ... 19 3.15.2 Emendas ... 19 3.15.3 Acopladores... 20 3.15.4 Filtros Ópticos ... 20 3.15..5 Comutadores Ópticos... 20

4CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISSÃO DA FIBRA ÓPTICA... 22

4.1 Atenuação ... 22 4.2 Absorção... 22 4.3 Espalhamento ... 22 4.4 Deformações Mecânicas... 23 4.5 Dispersão... 24 4.6 Dispersão Modal... 24 4.7 Dispersão Cromática ... 24 4.8 Dispersão Material ... 25

4.9 Dispersão de guia de onda ... 25

4.10 Conclusão ... 25

5MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DAS FIBRAS ÓPTICAS... 26

5.1 Fabricaçào de fibras de sílica pura... 26

5.1.1 MCVD (MODIFICATED CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION) ... 26

5.1.2 PCVD (PLASMA CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION)... 27

5.1.3 OVD (OUTSIDE VAPOUR DEPOSITION)... 27

5.1.4 VAD (VAPOUR AXIAL DEPOSITION)... 28

5.1.4 Puxamento... 29

5.2 Fabricaçào de fibras de vidro composto... 30

5.2.1 Método Rod-in-tube... 30

5.2.1 DOUBLE CRUCIBLE (DUPLO CADINHO)... 30

5.3 Fabricaçào de fibras de plástico ... 31

5.4 Cabos Ópticos ... 31

5.4.1 CONSTRUÇÃO DE CABOS ÓPTICOS... 31

5.4.1.1 ESTRUTURA TIGHT (ADERENTE) ... 32

5.5 Teste de Atenuação Espectral... 33

5.5.1 Teste de Atenuação de Inserção ... 34

5.5.2 Teste de Atenuação por retroespelhamento ... 34

5.6 TESTE DE LARGURA DE BANDA... 35

5.7 TESTE DE Abertura Numérica ... 38

5.8 TESTE do perfil de índice de refração... 39

5.9 Instalação de Cabos... 39

5.10 Confecção de Emendas... 39

5.10.1 Emenda por Fusão... 39

5.10.2 Emenda Mecânica... 40

5.11 Conectores... 40

5.12 Tipos de Fontes Ópticas... 43

5.12.1 Laser ... 44

6SISTEMAS E REDES LOCAIS... 48

6.1 Sistemas de Comunicação de Dados Ponto-a-Ponto... 48

6.2 Redes Locais... 50 6.2.1 Arquiteturas ... 50 6.2.2 Topologias ... 51 6.2.3 Tecnologia ... 52 6.2.4 Metodologia de Projeto... 53 6.2.5 Padrões... 55 7PROPRIEDADES... 56 8PADRÕES... 58

1

Características da Luz

A natureza da luz sempre foi um dos temas que sempre chamaram a atenção dos grandes cientistas da humanidade. Desde a antigüidade (300 a. C.) com Euclides até Einstein e Planck, no séc. XX. Hoje em dia, duas teorias que explicam a natureza da luz são aceitas: a teoria corpuscular (teoria eletromagnética) e a teoria

ondulatória (física clássica). Na teoria ondulatória, a luz é tratada como sendo campos eletromagnéticos oscilantes

propagando-se no espaço. Essa teoria explica fenômenos como reflexão, refração, difração, etc. Na teoria corpuscular, a luz é tratada como sendo pacotes de energia chamados fótons. Essa teoria explica fenômenos como o efeito Compton e o desvio do raio luminoso ao passar perto de corpos celestes.

A velocidade da luz no vácuo pode ser considerada como sendo 300000 km/s, o que nos dá um erro menor que 0,1 %.

A rigor, luz é a radiação eletromagnética visível para o olho humano, com comprimento de onda variando de 400 à 700 nm. Normalmente este termo é aplicado à radiação eletromagnética com propriedades similares às da luz visível, incluindo a radiação próxima ao infravermelho invisível na maioria dos sistemas de comunicações de fibras ópticas.

Dependendo da aplicação, o fenômeno da luz pode ser modelado de diferente formas. Isso não significa que existem várias formas de comportamento da luz, significa que ela apresenta diferentes fenômenos em cada tipo de modelamento.

Os princípios de propagação de luz aqui introduzidos têm por objetivo dar um embasamento mínimo para um embasamento da tecnologia de fibras ópticas, dentro do contexto de suas aplicações em sistemas de comunicações.

1.1

Física Clássica

A teoria de raios da óptica geométrica permite visualizar, satisfatoriamente, o fenômeno físico de propagação luminosa em fibras ópticas de um modo geral.

A relação entre a velocidade da luz no vácuo e velocidade da luz num meio qualquer define o índice de refração do meio em questão. Dessa forma, meios dielétricos mais densos correspondem a velocidades de propagação menores e vice-versa. A propagação da luz numa interface de dielétricos com índices de refração diferentes experimenta os fenômenos de reflexão e refração. O raio incidente na interface, além de parcialmente refletido, é refratado segundo a Lei de Snell dada por:

n2 / n1 – sen θ1 / sen θ2

Quando a refração ocorre na passagem da luz de um meio dielétrico mais denso para um meio dielétrico menos denso, o ângulo do raio refratado á sempre maior que o ângulo do raio incidente. Nesse caso existe uma situação limite para a refração onde um raio incidente com um determinado ângulo, menor que 90°, conhecido como ângulo crítico, implica um raio refratado que se propaga paralelamente na interface entre os dois dielétricos. Qualquer raio incidente com ângulo superior ao ângulo crítico não será mais refratado, mas refletido totalmente. Esse efeito de reflexão interna total é o mecanismos básico de propagação da luz em fibras ópticas.

1.2

Teoria Eletromagnética

Os conceitos da óptica geométrica não são suficientes quando todos tipos de fibras são considerados. Isso porque a teoria de raios corresponde apenas a uma aproximação dos princípios de operação da fibra óptica. Uma explicação mais rigorosa desses princípios deve ser feita através da teoria de ondas eletromagnéticas desenvolvida a partir das equações de Maxwell.

A partir do modelamento da luz como uma onda eletromagnética, a luz apresenta relações diretas entre seu comprimento de onda, sua freqüência e velocidade como segue:

C = λ f

Os modos de propagação das ondas eletromagnéticas também é determinado a partir da solução das equações de Maxwell. Não é o escopo desse curso aprofundas o conhecimento da teoria das propagação de ondas eletromagnéticas, portanto só entraremos em maiores detalhes desse modelamento quando for estritamente necessário.

1.3

Física Quântica

Ao estudar a radiação eletromagnética devida aos átomos de sódio aquecido, Max Planck, em 1901, introduziu um novo conceito, obtendo excelente correlação experimental. A hipótese de Planck foi muito simples: a energia eletromagnética somente pode existir em quantidades múltiplas de um valor mínimo chamado quantum, que é proporcional à freqüência da energia eletromagnética.

E = h f

Onde h é a constante de Planck e h = 6,6 10-34 JS.

Essa teoria é utilizada como base para o projeto de transmissores e receptores ópticos. Maiores detalhamentos exigem um conhecimento bastante aprofundado de física, o que não é pré-requisito nem objetivo deste curso.

2

Ondas

Onda é a manifestação de um fenômeno físico no qual uma fonte perturbadora fornece energia a um sistema e essa energia desloca-se através de pontos desse sistema. Observemos a propagação de um impulso numa corda para melhor entendermos esse conceito.

Cabe ressaltar que não é a onda que se movimenta mas a energia fornecida pela mão (fonte perturbadora). Existem três tipos de ondas quanto à direção de propagação:

• Unidimensionais • Bidimensionais • Tridimensionais

Cabe ressaltar também que dependendo do meio sob o qual a energia propaga-se, temos uma velocidade de propagação correspondente. Ondas harmônicas são tipos de ondas cuja fonte perturbadora executa um movimento uniforme. O comprimento de onda é o período espacial correspondente ao período temporal T. Conhecendo-se a velocidade de propagação podemos caracterizar uma onda através da freqüência ou do comprimento de onda

(v=λ.f).

2.1

2.2

ÍNDICE DE REFRAÇÃO

Grandeza que expressa a velocidade que a luz possui num determinado meio de transmissão. É definido por n=c/v, onde

• c é a velocidade da luz no vácuo

• v é a velocidade da luz no meio em questão

Cabe salientar que o índice de refração depende do comprimento de onda da luz, o que, nas fibras ópticas, irá provocar a dispersão do impulso luminoso, limitando a capacidade de transmissão de sinais. Esse efeito explica a experiência de Newton da decomposição da luz branca através de um prisma, como também a formação do arco-íris. Exemplos: vácuo n=1,0; água n=1,3; vidro n=1,5; diamantes n=2,0.

2.2

REFLEXÃO E REFRAÇÃO

Quando uma onda incide numa superfície de separação de dois meios de índice de refração diferentes, com uma certa inclinação, uma parcela da energia atravessará a superfície e propagará através do meio de transmissão, enquanto que outra parcela refletirá na superfície, continuando no meio incidente.

Ao passar para o meio de transmissão, a onda sofre um desvio de sua direção natural regido pela lei de Snell

(n

i

.senθ

i

=n

t

.senθ

t

).

2.3

RAIOS DE LUZ

Podemos, por simplicidade, representar a luz indicando apenas a sua direção de propagação utilizando os raios de luz.

2.4

ÂNGULO CRÍTICO E REFLEXÃO INTERNA TOTAL

Quando um raio de luz muda de um meio que tem índice de refração grande para um meio que tem índice de refração pequeno a direção da onda transmitida afasta-se da normal (perpendicular). A medida que aumentamos o ângulo de incidência i, o ângulo do raio refratado tende a 90o. Quando isso acontece, o ângulo de incidência recebe o nome de ângulo crítico. Uma incidência com ângulo maior do que este sofre o fenômeno da reflexão interna total.

3

Componentes Ópticos

3.1

Fibra Óptica

A fibra óptica, por sua vez, corresponde ao meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetetor. Formada por um núcleo de material dielétrico e por uma casca também de material dielétrico com índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, a fibra permite a propagação da luz por reflexões sucessivas. Essa estrutura básica da fibra é envolvida por encapsulamentos plásticos de proteção mecânica e ambiental, formando o cabo óptico que pode conter uma ou mais fibras.

Existem duas classes principais de fibras ópticas: as monomodo e as multimodo. As fibras monomodo de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação, transmitindo apenas o raio axial. As fibras multimodo, por seu lado, possuem vários modos de propagação e, de acordo com com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao do núcleo, classificam-se em: índice degrau e índice gradual. Dentre as fibras multimodo, as de índice gradual apresentam desempenho superior à de índice degrau.

A atenuação em fibras ópticas é causada por múltiplas fontes, desde as perdas por absorção intrínseca ao material que compõe a fibra, até as perdas devidas à imperfeição de sua fabricação. Composta basicamente por sílica e dopantes semicondutores, as fibras ópticas se caracterizam pela existência de regiões espectrais onde a atenuação é mínima. Essas regiões, conhecidas como janelas de transmissão, situam-se em torno dos seguinte comprimentos de onda: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm.

Cordão Monofibra

Uma fibra óptica é um capilar formado por materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visível ou infravermelho) através de um trajeto qualquer. A estrutura básica desses capilares são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é chamado de núcleo e a região externa é chamada de casca. Para que ocorra o fenômeno da reflexão interna total é necessário que o índice de refração do núcleo seja maior que o índice de refração da casca. Os tipos básicos de fibras ópticas são:

• fibra de índice degrau • fibra de índice gradual • fibra monomodo

3.2

Tipos de Fibras Ópticas

As FO costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão, ditadas essencialmente pelo seu perfil de índices de refração e pela sua habilidade de propagar um ou mais modos de propagação. Com implicações principalmente na capacidade de transmissão e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detetores luminosos, resultam dessa classificação básica os seguintes tipos de FO: • Multimodo índice degrau

• Facilidade de fabricação • Facilidades operacionais

• Capacidade de transmissão limitada • Muiltimodo índice gradual

• Complexidade média de fabricação • Conectividade relativamente simples • Alta capacidade de transmissão • Monomodo

• Capacidade de transmissão bastante superior às multimodo

• Este tipo de FO com perfis de índices de refração diferentes do degrau têm implicações importantes quanto às características de transmissão, nesse caso estão as fibras com dispersão deslocada e de dispersão plana.

3.3

Fibra de Índice degrau (step index)

Este tipo de fibra foi o primeiro a surgir e é o tipo mais simples. Constitui-se basicamente de um único tipo de vidro para compor o núcleo, ou seja, com índice de refração constante. O núcleo pode ser feito de vários materiais como plástico, vidro, etc. e com dimensões que variam de 50 a 400 µm, conforme o tipo de aplicação.

A casca, cuja a função básica de garantir a condição de aguiamento da luz pode ser feita de vidro, plástico e até mesmo o próprio ar pode atuar como casca (essas fibras são chamadas de bundle).

Essas fibras são limitadas quanto à capacidade de transmissão. Possuem atenuação elevada (maior que 5 dB/km) e pequena largura de banda (menor que 30 MHz.km) e são utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação.

A. Aplicações para grande largura de banda (350 Ghz-1991)

B. Baixas perdas: tipicamente 0,3 dB/km até 0,5 dB/Km ( 1300 nm), e 0,2 dB/km ( 1550 nm) C. Área do diâmetro do Campo modal de 10 mícrons

D. Diâmetro Externo de Revestimento de 125 mícron

E. Custos superiores para conectores, emendas, equipamentos de teste e transmissores/ receptores F. Transmite um modo ou caminho de luz

G. Transmite em comprimento de onda de 1300 e 1550 nm H . Fabricada em comprimento de até 25Km

I . Sensível a dobras (curvaturas).

3.4

Fibra de Índice gradual (graded index)

Este tipo de fibra tem seu núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de refração, os quais temo o objetivo de diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, devido aos vários caminhos possíveis que a luz pode tomar no interior da fibra, diminuindo a dispersão do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra óptica.

A variação do índice de refração em função do raio do núcleo obedece à seguinte equação:

n(r)=n

1

.(1-(r/a)

α

.∆), onde

• n(r) é o índice de refração do ponto r • n1 é o índice de refração do núcleo

• r é a posição sobre o raio do núcleo • α é o coeficiente de optimização

• ∆ é a diferença entre o índice de refração da casca e do núcleo

Os materiais tipicamente empregados na fabricação dessas fibras são sílica pura para a casca e sílica dopada para o núcleo com dimensões típicas de 125 e 50 µm respectivamente. Essas fibras apresentam baixas atenuações (3 db/km em 850 nm) e capacidade de transmissão elevadas. São, por esse motivo, empregadas em telecomunicações.

A. Largura de Banda da ordem de1500 Mhz-Km B. Perdas de 1 a 6 dB/Km

C. Núcleos de 50/ 62/ 85/ 100 mícrons (Padrões CCITT) D. Diâmetro Externo do Revestimento de 125 e 140 mícrons E. É eficaz com fontes de laser e LED

F. Componentes, equipamentos de teste e transmissores/ receptores de baixo custo

G. Transmite muitos modos (500+-) ou caminhos de luz, admite muitos modos de propagação H. Possui limitação de distância devido às altas perdas e dispersão modal.

I. Transmite à 820-850 e 1300 nm.

J. Fabricadas em comprimentos até 2,2 Km 3.5

Fibra Monomodo

Esta fibra, ao contrário das anteriores, é construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição eletromagnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo, consequentemente diminuindo a dispersão do impulso luminoso.

Para que isso ocorra, é necessário que o diâmetro do núcleo seja poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz utilizado para a transmissão. As dimensões típicas são 2 a 10 µm para o núcleo e 80 a 125 µm para a casca. Os materiais utilizados para a sua fabricação são sílica e sílica dopada.

São empregadas basicamente em telecomunicações pois possuem baixa atenuação (0,7 dB/km em 1300 nm e 0,2 dB/km em 1550 nm) e grande largura de banda (10 a 100 GHz.km).

3.6

Estrutura Física Básica

Uma fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (em geral sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis ãs de um fio de cabelo humano.

A estrutura cilíndrica básica da FO é formada de núcleo, envolta por uma outra camada de material dielétrico chamada casca. A composição da casca da FO, com material de índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, oferece condições à propagação de energia luminosa através do núcleo da FO.

A diferença do índice de refração do núcleo com relação à casca é representada pelo perfil de índices da FO. Essa diferença pode ser conseguida usando-se materiais dielétricos distintos (sílica-plástico, diferentes plásticos, etc.) ou através de dopagens convenientes de materiais semicondutores (GeO2,P2O5, F, etc.). A variação de perfil do índice

de refração pode ser realizada de modo gradual ou descontínuo, originando diferentes formatos de perfil de índices. 3.7

Propagação

A teoria da óptica geométrica permite visualizar satisfatoriamente o fenômeno físico da propagação luminosa em FO. Todavia, os conceitos da óptica geométrica não são suficientes quando todos os tipos de FO são considerados. Maiores detalhamento exigem a utilização da teoria das ondas eletromagnéticas desenvolvida a partir das equações de Maxwell.

O mecanismo básico de transmissão de luz ao longa da FO consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de seguidas reflexões internas totais. Este fato se dá devido à diferença de índices de refração entre o núcleo da FO e sua casca.

O conceito de modo de propagação está relacionado à teoria de propagação das ondas eletromagnéticas de Maxwell. A determinação dos modos de propagação em FO depende das características desta como guia de onda. Embora o tratamento matemático seja bastante complexo, devido às características de diferenças muito pequenas de índices de refração entre a casca e o núcleo, podem ser realizadas aproximações que facilitam a compreensão e a manipulação dos resultados das equações de Maxwell.

Os diversos modos de propagação possíveis em uma FO obedecem a determinadas condições de corte , isto é, condições a partir das quais o modo cessa de existir no guia. O número de modos de propagação em uma determinada FO, com perfil de índice de refração do tipo degrau, pode ser estabelecido a partir de um parâmetro denominado freqüência normalizada ou número V:

V = 2 π a / λ n1 (2 (n1 – n2) )1/2

Existem determinados valores de V para os quais apenas um único modo é possível de se propagar na FO. Essa condição dá origem a uma importante classe das fibras ópticas, a das monomodo. Para fibras de perfil tipo degrau, pode-se concluir que a condição V < 2,405 permite somente a propagação de um modo, caracterizando uma fibra monomodo.

Quando tratamos a luz pela teoria ondulatória, a luz é regida pelas equações de Maxwell. Assim, se resolvermos as equações de Maxwell para as condições (chamadas condições de contorno) da fibra, que é um guia de onda, tais como diâmetro do núcleo, comprimento de onda, abertura numérica, etc. encontramos um certo número de soluções finitas. Dessa maneira, a luz que percorre a fibra óptica não se propaga aleatoriamente, mas é canalizada em certos modos.

Modo de propagação é, portanto, uma onda com determinada distribuição de campo eletromagnético que satisfaz as equações de Maxwell e que transporta uma parcela individual (mas não igual) da energia luminosa total transmitida. Esses modos podem ser entendidos e representados como sendo os possíveis caminhos que a luz pode ter no interior do núcleo. Numa fibra óptica, o número de modos está relacionado com a freqüência

normalizada V que é uma grandeza definida por

V

=

2

⋅ ⋅ ⋅

π

a AN

λ

, onde

• a é o raio do núcleo • λ é o comprimento de onda • AN é a abertura numérica

A relação entre a freqüência normalizada e o número de modos M é dada por

M

=

V

2

4

para fibras de índice gradual

M

=

V

2

2

para fibras de índice degrau

3.8

Abertura Numérica

É um parâmetro básico para fibras multimodos (degrau e gradual) que representa o ângulo máximo de incidência que um raio deve ter, em relação ao eixo da fibra, para que ele sofra a reflexão interna total no interior do núcleo e propague-se ao longo da fibra através de reflexões sucessivas.

Existe um ângulo de incidência limite para os raios penetrando no núcleo de uma FO, acima do qual os raios não satisfazem as condições de reflexão interna total e portanto não são transmitidos. Esse ângulo conhecido como ângulo de aceitação da fibra é deduzido aplicando-se a lei de Snell, o que resulta:

θa = sen -1 ( (n1 2 – n2 2 )1/2 / n0)

onde n0 é o índice de refração do meio onde a fibra está imersa, n1 é o índice de refração do núcleo e n2 da casca

da FO. 3.9

Perfil de Índice de Refração

Para melhorar as características de propagação da luz na FO, podem-se aplicar alterações na densidade de dopante aplicado à FO de tal forma a se obter diferentes curvas de variação do índice de refração ao longo das radiais da FO. Desta forma são obtidos diferentes tipos de fibras ópticas, os quais serão apresentados oportunamente.

3.10

Característica das Perdas nas Fibras Ópticas

A absorção de energia luminosa que ocorre na FO se dá por alguns fatores como segue: • Intrínseca: devido ao material que compõe a fibra

• Extrínseca: devido às impurezas da fibra

• Espalhamento: devido às não-homogeneidades da fibra • Macrocurvaturas: curvaturas devido ao percurso da fibra • Microcurvaturas: curvaturas devido aos defeitos de fabricação

• Projeto da fibra: parte da energia luminosa que propaga na casca da FO 3.11

Emissores Ópticos

O emissor óptico é composto por um dispositivo emissor de luz e um circuito elétrico associado. O dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do sistema, é o responsável pela conversão eletro-óptica do sinal. Dois tipos de dispositivos são comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os diodos laser (DL) e os diodos eletroluminescentes (LED).

Para um melhor conhecimento do processo de fotogeração é necessário se conhecer alguns conceitos oriundos da física quântica:

Num semicondutor intrínseco estão presentes três tipos níveis de energia em que os elétrons podem estar presentes (Banda de valência, Banda Proibida e Banda de Condução). Quando há uma transição de um elétron entre a Banda de condução e a banda de valência ocorre a liberação de fótons de acordo com a figura abaixo.

Banda de Condução Banda Proibida Banda de Valência

Eg

Elétron Lacuna E = h c / λ > Eg Este fenômeno é chamado de Recombinação e pode ocorres de duas formas distintas:

• Recombinação Espontânea: onde um elétron e uma lacuna se recombinam e geram um fóton.

• Recombinação Estimulada: onde um elétron e uma lacuna se recombinam estimulados por um fóton. Nesse caso, o novo fóton gerado têm a mesma fase e comprimento de onda do fóton estimulador.

3.12 LED

Dentre os dispositivos utilizados como fonte semicondutora de luz, os LEDs são os mais simples, baratos e confiáveis. Suas principais desvantagens em relação ao Diodo Laser residem no espectro mais largo da luz gerada, na menor eficiência do acoplamento de luz na fibra, e nas limitações mais acentuads na velocidade de modulação. Por esses motivos, os LEDs são em geral utilizados em sistemas de transmissão de menor capacidade.

Se utiliza do processo de recombinação espontânea em junções pn para a fotogeração. Dentre osprincipais tipos de LEDs podemos citar: LED de emissão de superfície e de emissão lateral.

3.13

Diodo Laser

A estrutura do DL é semelhante à do LED. O dispositivo é dimensionado de tal forma que os fótons gerados entrem em oscilação, gerando muito mais potência óptica por unidade de corrente injetada, e também uma radiação mais coerente.

Dentre os principais tipos de DLs podemos citar: DL de Fabry-Perot e DL monomodo. 3.14

Receptores Ópticos

O receptor óptico compõe-se de um dispositivo fotodetector e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O fotodetector é o responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em sinal elétrico. Os fotodetetores mais utilizados são os fotodiodos PIN e os fotodiodos de avalanche APD. A qualidade de um receptor óptico é medida pela sua sensitividade, a qual especifica a potência luminosa mínima necessária para determinado desempenho de relação sinal-ruído (S/N), ou de taxa de erros de transmissão. De um modo geral, os receptores ópticos com fotodiodos de avalanche, mais complexos, apresentam desempenho superior aos com fotodiodos PIN. Se utilizam do processo de fotoionização para a transformação de fótons em elétrons livres que por meio de correntes de polarização geram a corrente elétrica a ser detectada pelo receptor. No caso da transmissão digital, a detecção de um pulso óptico sofrerá os seguintes fatores de contaminação:

• Potência óptica de polarização: radiação de fundo

• Corrente escura: gerada no interior do dispositivo mesmo sem a presença de luz • Ruído balístico: gerado pela granularidade da corrente elétrica

• Ruído térmico: presentes nas cargas resistivas do circuito receptor Os principais tipos de receptores ópticos são:

• Fotodiodo PIN

• Fotodiodo de Avalanche (APD) 3.15

Componentes Passivos

O acoplamento da fibra óptica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores, em razão das dimensões envolvidas, exige o uso de técnicas sofisticadas e de muita precisão, a fim de limitar as perdas de acoplamento. A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibra óptica pode ser realizada de modo permanente através de emendas ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. As junções multiponto utilizam-se de acopladores de diversos tipos.

3.15.1

Conectores

Existem várias técnicas de fabricação de conectores ópticos associados a diferentes produtos disponíveis comercialmente.

A maioria dos conectores ópticos baseia-se no uso de ferrules, que vem a ser um cilindro de metal, plástico ou de cerâmica, com um buraco de precisão onde é colocada a fibra. Em geral um anel metálico rosqueado envolve o ferrule, segurando-o e conectando-o com uma luva de cilíndrica de conexão fibra-fibra. Conectores SMA

apresentam perdas de inserção típicas de 0,6 dB. Conectores SC com ferrule de precisão apresentam perdas de inserção inferiores à 0,1 dB. Conectores tipo FC apresentam perdas de no máximo 0,35 dB.

Outro tipo de conector é o conector bicônico moldado. O componente central deste tipo de conector é uma luva bicônica que aceita dois plugues cônicos e alinha os eixos das extremidades das fibras centradas nos plugues. As perdas típicas desse tipo de conector são da ordem de 0,4 dB.

Cabos multifibras são mais difíceis de se conectar usando um único conector, por suas tolerâncias dimensionais estreitas e pela necessidade de se alinhar adequadamente todas as fibras. Para esse tipo de conexão podem ser utilizados caixas de conexão internas e conectores duplex padrão utilizados em redes locais FDDI dentre outros.

Conectores Tipo SC

3.15.2

Emendas

Uma emenda constitui basicamente uma junção permanente de dois segmentos de FO. Ao contrário dos conectores ópticos, as emendas costumam ser usadas principalmente em sistemas de longa distância de alta capacidade em razão de suas perdas muito baixas, tipicamente inferiores à 0,5 dB. As técnicas de emendar FO podem ser classificados em duas categorias principais:

• Emendas por fusão

Esta técnica de emendar FO por fusão é a mais utilizada atualmente e consiste em “soldar” as extremidades das duas FO. Restringe-se a fibras compostas exclusivamente por sílica. As funções básicas associadas ao equipamento emendador incluem:

• Maçarico de fusão

• Microscópio • OTDR

• Talhador para cortar as fibras • Emendas mecânicas

As emendas mecânicas permitem juntar duas fibras através de uma estrutura de alinhamento mecânico e mecanismo de retenção do tipo braçadeira ou por colagem das suas extremidades. Este tipo de emenda por ser menos preciso que o anterior , apresenta geralmente perdas maiores e costuma ser mais utilizado com fibras multimodo. Por outro lado estas são mais fáceis de ser realizadas em campo e não requerem equipamentos sofisticados e caros. Por serem desmontáveis, as emendas mecânicas podem ser utilizadas em configurações com conexões temporárias.

3.15.3

Acopladores

Os acopladores ópticos podem ser considerados como dispositivos multiportas (> 2) que permitem combinar ou separar sinais luminosos. Os acopladores ópticos constituem o principal fator limitante que determina a configuração ótima da rede.

As duas funções básicas comumente atribuídas aos acopladores são:

• Separar ou dividir um sinal luminoso, comumente chamado de divisor ou separador • Combinar ou misturar sinais luminosos, conhecido como misturador.

Além da função elementar de mistura e divisão de sinais luminosos, os acopladores ópticos costumam ter as seguintes funções típicas:

• Acoplamento direcional

• Acoplamento distributivo (tipo estrela) • Multiplexação WDM

• Demultiplexação WDM

3.15.4

Filtros Ópticos

Componentes ópticos passivos com funções de filtragem têm sido usados, adicionalmente aos acopladores, para filtrar potência óptica indesejável, como por exemplo potência insuficientemente rejeitada por um dispositivo WDM ou a potência refletida que venha a causar ruído no sistema.

3.15..5

Comutadores Ópticos

Os comutadores ópticos são dispositivos que permitem comutar a luz guiada por uma fibra para um ou mais caminhos alternativos. Podem ser classificados em duas categorias:

• Mecânicos: caracterizam-se por utilizar um elemento óptico móvel como mecanismo de comutação.

• Não mecânicos: baseiam-se em fenômenos físicos (eletro-óptico, magneto-óptico, etc.) para mudar as propriedades ópticas de algum elemento e desviar a luz guiada.

Ao contrário dos comutadores mecânicos, os comutadores não mecânicos caracterizam-se por alta velocidade de comutação, pequeno tamanho e alta confiabilidade.

Modernamente estão sendo utilizados dispositivos de poços quânticos múltiplos, para a realização de comutadores ópticos de alta velocidade.

4

Características de transmissão da fibra óptica

4.1

Atenuação

A atenuação ou perda de transmissão pode ser definida como a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao propagar-se através de um meio de transmissão. A fórmula mais usual para o cálculo da atenuação é a seguinte

10

⋅log

P

P

s e , onde • Ps é a potência de saída • Pe é a potência de entrada

Nas fibras ópticas, a atenuação varia de acordo com o comprimento de onda da luz utilizada. Essa atenuação é a soma de várias perdas ligadas ao material que é empregado na fabricação das fibras e à estrutura do guia de onda. Os mecanismos que provocam atenuação são

• absorção • espalhamento

• deformações mecânicas. 4.2

Absorção

Os tipos básicos de absorção são • absorção material

• absorção do ion OH

-A absorção material é o mecanismo de atenuação que exprime a dissipação de parte da energia transmitida numa fibra óptica em forma de calor. Neste tipo de absorção temos fatores extrínsecos e intrínsecos à própria fibra.

Como fatores intrínsecos, temos a absorção do ultravioleta, a qual cresce exponencialmente no sentido do ultravioleta, e a absorção do infravermelho, provocada pela sua vibração e rotação dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio, a qual cresce exponencialmente no sentido do infravermelho.

Como fatores extrínsecos, temos a absorção devido aos ions metálicos porventura presentes na fibra (Mn, Ni, Cr, U, Co, Fe e Cu) os quais, devido ao seu tamanho, provocam picos de absorção em determinados comprimentos de onda exigindo grande purificação dos materiais que compõem a estrutura da fibra óptica.

A absorção do OH- (hidroxila) provoca atenuação fundamentalmente no comprimento de onda de 2700 nm e em sobre tons (harmônicos) em torno de 950 nm, 1240 nm e 1380 nm na faixa de baixa atenuação da fibra. Esse ion é comumente chamado de água e é incorporado ao núcleo durante o processo de produção. É muito difícil de ser eliminado.

4.3

Espalhamento

É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções. Existem vários tipos de espalhamento (Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimulado) sendo o mais importante e significativo o espalhamento de Rayleigh. Esse espalhamento é devido à não homogeneidade microscópica (de flutuações térmicas, flutuações de composição, variação de pressão, pequenas bolhas, variação no perfil de índice de refração, etc.

Esse espalhamento está sempre presente na fibra óptica e determina o limite mínimo de atenuação nas fibras de sílica na região de baixa atenuação. A atenuação neste tipo de espalhamento é proporcional a

1

₄

4.4

Deformações Mecânicas

As deformações são chamadas de microcurvatura e macrocurvatura, as quais ocorrem ao longo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma durante a confecção e instalação do cabo.

As macrocurvaturas são perdas pontuais (localizadas) de luz por irradiação, ou seja, os modos de alta ordem (ângulo de incidência próximo ao ângulo crítico) não apresentam condições de reflexão interna total devido a curvaturas de raio finito da fibra óptica.

As microcurvaturas aparecem quando a fibra é submetida a pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma superfície levemente rugosa. Essas microcurvaturas extraem parte da energia luminosa do núcleo devido aos modos de alta ordem tornarem-se não guiados.

Existem três comprimentos de onda tipicamente utilizados para transmissão em fibras ópticas: • 850 nm com atenuação típica de 3 dB/km

• 1300 nm com atenuação típica de 0,8 dB/km • 1550 nm com atenuação típica de 0,2 dB/km

4.5

Dispersão

É uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica, dada em MHz.km, e está relacionada com a capacidade de transmissão de informação das fibras. Os mecanismos básicos de dispersão são

• modal • cromática

4.6

Dispersão Modal

Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Numa fibra degrau, todos os modos viajam com a mesma velocidade, pois o índice de refração é constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem (que percorrem caminho mais longo) demorarão mais tempo para sair da fibra do que os modos de baixa ordem. Neste tipo de fibra, a diferença entre os tempos de chegada é dado por τ=∆t1, onde

• t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem

• ∆ é a diferença percentual de índices de refração entre o núcleo e a casca dada por ∆=(n1-n2)/n1

A dispersão modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo será guiado. 4.7

Dispersão Cromática

Esse tipo de dispersão depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos • dispersão material

4.8

Dispersão Material

Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem uma certa largura espectral finita (∆λ), temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso.

A dispersão provocada pela dispersão material é dada por

D

dn

c d

=

∆λ

λ

, onde

• ∆λ é a largura espectral da fonte luminosa • c é a velocidade da luz no vácuo

• n é o índice de refração do núcleo 4.9

Dispersão de guia de onda

Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material reduzida (∆λ pequeno em torno de 1300 nm) e é da ordem de alguns ps/(nm.km).

4.10 Conclusão

Os tipos de dispersão que predominam nas fibras são • degrau: modal (dezenas de MHz.km)

• gradual: modal material (menor que 1 GHz.km) • monomodo: material guia de onda (10 a 100 GHz.km)

A dispersão total numa fibra óptica multimodo gradual, levando-se em conta a dispersão modal e a material é dada por

σ

_T2

=

σ

_M2

+

σ

_C2, onde

• σC é a dispersão cromática

5

Métodos de fabricação das fibras ópticas

Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras ópticas fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações. Todos os processos de fabricação são complexos e caros. As fibras ópticas fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa largura de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação. Os processos de fabricação dessas fibras são simples e baratos se comparados com as fibras de sílica pura ou dopada.

5.1

Fabricaçào de fibras de sílica pura

Existem 4 tipos de processos de fabricação deste tipo de fibra e a diferença entre eles está na etapa de fabricação da preforma (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.

5.1.1

MCVD (MODIFICATED CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION)

Este processo consiste na deposição de camadas de materiais (vidros especiais) no interior de um tubo de sílica pura (SiO2). O tubo de sílica é o que fará o papel de casca da fibra óptica, enquanto que os materiais que são

depositados farão o papel do núcleo da fibra. O tubo de sílica é colocado na posição horizontal numa máquina chamada 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 1500oC aproximadamente. Os gases, quando atingem a região de alta temperatura, reagem com o oxigênio (gás de arraste) formando óxidos como SiO2, GeO2, etc. liberando o Cl2.

Ocorre então a deposição de partículas submicroscópicas de vidro no interior do tubo, as quais formarão o núcleo da fibra. A cada passagem do maçarico na extensão do tubo, deposita-se uma camada de 5 a 10 µm e esse processo repete-se até que o núcleo tenha dimensões apropriadas. Os óxidos GeO2 e P2O5 tem a função de variar

o índice de refração da sílica pura (SiO2) de acordo com suas concentrações.

Após a deposição do número correto de camadas é efetuado o colapsamento do tubo (estrangulamento) para torná-lo um bastão sólido e maciço denominado preforma. Isso é feito elevando-se a temperatura do queimador a 1800-2000oC, e o tubo fecha-se por tensões superficiais.

Por esse processo, obtêm-se fibras de boa qualidade porque a reação que ocorre no interior do tubo não tem contato com o meio externo, dessa maneira evita-se a deposição de impurezas, especialmente a hidroxila (OH-). Com esse processo, pode-se fabricar fibras do tipo multimodo degrau e gradual e monomodo.

5.1.2

PCVD (PLASMA CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION)

A diferença básica deste método, ilustrado abaixo, em relação ao MCVD é que ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-se um plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de microondas para a estimulação dos gases no interior do tubo de sílica.

Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo, pois a deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade ressonante. A temperatura para deposição é em torno de 1100oC. As propriedades das fibras fabricadas por este método são idênticas ao MCVD.

5.1.3

OVD (OUTSIDE VAPOUR DEPOSITION)

Este processo baseia-se no crescimento da preforma a partir de uma semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril. Este mandril é colocado num torno e permanece girando durante o processo de deposiçào que ocorre sobre o mandril. Os resgentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são depositados no mandril através de camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposição do núcleo e também da casa, e obtêm-se preformas de diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande comprimento (40 km ou mais). Após essas etapas teremos uma preforma porosa (opaca) e com o mandril em seu centro. Para a retirada do mandril coloca-se a preforma num forno aquecido a 1500oC que provoca a dilatação dos materiais. Através da diferença de coeficiente de dilatação térmica consegue-se soltar o mandril da preforma e a

sua retirada. O próprio forno faz também o colapsamento da preforma para torná-la cristalina e maciça. Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo multimodo e monomodo de boa qualidade de transmissão.

5.1.4

VAD (VAPOUR AXIAL DEPOSITION)

Neste processo, a casca e o núcleo são depositados mas no sentido do eixo da fibra (sentido axial). Neste processo utilizam-se dois queimadores que criam a distribuição de temperatura desejada e também injetam os gases (reagentes). Obtém-se assim uma preforma porosa que é cristalizada num forno elétrico à temperatura de 1500oC. Este processo obtém preformas com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo.

5.1.4

Puxamento

Uma vez obtida a preforma, por qualquer um dos métodos descritos acima, esta é levada a uma estrutura vertical chamada torre de puxamento e é fixada num alimentador que a introduz num forno (normalmente de grafite, que utiliza maçaricos especiais ou lasers de alta potência) com temperatura de aproximadamente 2000oC que efetua o escoamento do material formando um capilar de vidro, a fibra óptica.

O diâmetro da fibra depende da velocidade de alimentação da preforma no forno e da velocidade de bobinamento da fibra, ambas controladas por computador. O controle desse processo é feito através de um medidor óptico de diâmetro (que funciona a laser).

5.2

Fabricaçào de fibras de vidro composto

Os vidros mais utilizados são o SiO2-B2O3-Na2O sendo o índice de refração controlado pela concentração de Na2O.

5.2.1

Método Rod-in-tube

Este método consiste na inserção de vidros na forma de bastão e tubo simultaneamente no forno de puxamento, o qual efetua o escoamento dos materiais ao mesmo tempo. Assim, obtem-se fibras degrau do tipo sílica-sílica (casca e núcleo de vidro) e variações como fibras de sílica-silicone (esticando-se apenas o bastão, que forma o núcleo e aplicando-se o silicone, que forma a casca) e fibras bundle (esticando-se apenas o bastão, que forma o núcleo, com a casca formada pelo próprio ar), as quais são utilizadas em iluminação.

5.2.1

DOUBLE CRUCIBLE (DUPLO CADINHO)

Este processo é semelhante ao anterior, mas os vidros vêm na forma de bastão, os quais são introduzidos no forno do puxamento, que contém dois cadinhos. Neste processo, a geometria dos vidros alimentadores não é tão importante como no processo anterior. Neste processo consegue-se a variação do índice de refração através da migração de ions alcalinos que mesclam a concentração dos vidros interno e externo.

5.3

Fabricaçào de fibras de plástico

A fabricação de fibras de plástico é feita por extração. As fibras ópticas obtidas com este método têm características ópticas bem inferiores às de sílica, mas possuem resistência mecânica (esforços mecânicos) bem maiores que as fibras de sílica. Têm grandes aplicações em iluminação e transmissão de informações a curtas distâncias e

probabilidade de longa vida para o cabo, é necessário não submeter a fibra a tensões elevadas. Para isso, são utilizados, durante a construção, elementos tensores e tubos os quais absorvem as solicitações mecânicas aplicadas no cabo. Esses elementos são muito importantes na construção do cabo assegurando estabilidade dimensional do mesmo.

5.4.1.1

ESTRUTURA TIGHT (ADERENTE)

Neste tipo de estrutura, as fibras ópticas estão em contato com a estrutura do cabo óptico. Possuem, por esta razão, elementos de tração bem resistentes.

5.4.1.2

ESTRUTURA LOOSE (NÃO ADERENTE)

Neste tipo de estrutura, a fibra óptica fica afastada da estrutura do cabo acondicionada em tubos (plásticos ou metálicos).

M

MEEDDIIDDAASSEEMMFFIIBBRRAASSÓÓPPTTIICCAASS

Para a caracterização das fibras ópticas são efetuadas medições que verificam as características de transmissão das fibras, a saber:

• atenuação espectral • atenuação de inserção

• atenuação por retroespalhamento • largura de banda

• abertura numérica • perfil de índice de refração

5.5

Teste de Atenuação Espectral

Este tipo de teste mede a atenuação da fibra óptica numa faixa de comprimentos de onda, normalmente contendo o comprimento de onda em que a fibra operará. É efetuado em laboratório devido à complexidade e precisão e fornece dados sobre a contaminação que pode ter ocorrido na fabricação da preforma e puxamento, principalmente o OH-.

O teste consiste em se medir a potência de luz após percorrer toda a fibra nos vários comprimentos de onda que se deseja medir a atenuação, esta é a primeira medida, ou ainda, a potência de saída. Após isso, corta-se a fibra a 2 ou 3 metros do início, sem alterar as condições de lançamento, e mede-se a potência de luz nesse ponto, que pode ser considerado como a potência de entrada, uma vez que 2 ou 3 metros tem atenuação desprezível; esta é a segunda medida. De posse das duas medidas, calcula-se a atenuação por :

A

P

P

s e

=

10 log

⋅

[dB]. Onde: • (1) - fonte de luz • (2) - lentes • (3) - monocromador • (4) - fibra de lançamento • (5) - eliminador de luz nas casca • (6) - fibra óptica a ser medida • (7) - detector óptico

• (8) - medidor de potência

• (9) - acoplamento FONTE-FIBRA optimizado • (10) - acoplamento FIBRA-FIBRA optimizado • (11) - acoplamento FIBRA-DETECTOR optimizado

5.5.1

Teste de Atenuação de Inserção

Este teste é mais apropriado para situações de campo e ele mede a atenuação da fibra óptica apenas num comprimento de onda, normalmente mede-se no comprimento de onda que o sistema opera. O teste utiliza dois instrumentos portáteis: o medidor de potência e a fonte de luz.

O teste divide-se em duas etapas, na primeira é efetuada uma calibração dos dois instrumentos, para conhecermos a potência de luz que será lançada, na fibra óptica, e na segunda é efetuada a medida de potência após a luz percorre toda a fibra óptica. A diferença entre as duas será o valor de atenuação.

5.5.2

Teste de Atenuação por retroespelhamento

Este teste é realizado com um instrumento chamado OTDR (optical time domain reflectometer), que significa refletômetro óptico no domínio do tempo. O instrumento faz uso do fenômeno do espalhamento de Rayleigh, que é a irradiação da luz das moléculas de vidro, proporcional à luz incidente. O instrumento faz uso deste fenômeno da seguinte forma:

• Gera-se um impulso luminoso que é inserido na fibra óptica sob teste. • Ao percorrer a fibra até um ponto X, a luz é atenuada.

• Ao chegar no ponto X, a luz provoca o espalhamento de Rayleigh das moléculas de vidro desse ponto, com intensidade proporcional à luz existente nesse ponto.

• A luz que retorna à fonte também é atenuada. É importante observar que a atenuação do retorno à fonte é igual à atenuação do sinal até o ponto X, pois o caminho de propagação é o mesmo.

• O OTDR mede a potência de luz que retorna à fonte, bem como o tempo gasto para que o impulso gerado vá até o ponto X e retorne ao início da fibra.

Para que o OTDR possa calcular a localização do ponto X, é necessário fornecer-lhe o índice de refração da fibra sob teste. Para este cálculo, o instrumento faz uso da seguinte fórmula

L

=

v

∆

t

2

, onde

• L é a distância entre o ponto X e o início da fibra óptica

• ∆t é o tempo de propagação do sinal luminoso de ida e volta ao ponto X

• v é a velocidade da luz na fibra dada por v=c/n (c é a velocidade da luz no vácuo e n é o índice de refração fornecido ao instrumento)

É importante observar que a atenuação só é precisa se o espalhamento de Rayleigh for homogêneo em toda a fibra óptica. As vantagens deste tipo de medida é que necessitamos de apenas uma ponta da fibra, não é destrutivo, possibilita medir comprimentos, atenuação das emendas, atenuação nos conectores, localiza defeitos, etc. Como desvantagens, podemos citar:

• Possui pequena faixa dinâmica de medidas

• A atenuação só é precisa se o espalhamento de Rayleigh for homogêneo em toda a fibra óptica • Necessita do índice de refração

• Não mede atenuação espectral

Sua utilização é muito comum em todas as fases de implementação dos sistemas ópticos. Os instrumentos e acessórios utilizados neste teste são clivador, cordão de fibra de lançamento próprio para o OTDR utilizado (pig tail) e o OTDR.

5.6

TESTE DE LARGURA DE BANDA

Este teste determina a máxima velocidade de transmissão de sinais que uma fibra óptica pode ter, ou seja, mede a capacidade de resposta da fibra óptica. O teste é realizado com o objetivo de sabermos se a fibra óptica tem condições de operar com a taxa de transmissão especificada para o sistema. Existem duas formas básicas de realizarmos a medida:

- no domínio do tempo;

- no domínio da freqüência.

Medida no domínio do tempo - através do laser de gás, gera-se um impulso luminoso de curta duração.

- com o osciloscópio mede-se as formas de onda dos impulsos de entrada e saída.

- se os impulsos tiverem forma Gaussiana (distribuição de Gauss), mede-se a largura dos impulsos à meia altura (50% da máxima amplitude).

- calcula-se a largura de banda por:

B

S E

=

⋅

−

1

5

σ

2

σ

2 onde:

σ

_S2

é a largura à meia altura do impulso de saída

σ

_E2

- se os impulsos não apresentarem forma Gaussiana, obtem-se a largura de banda passante no domínio da

freqüência definida por:

H

P t e

dt

P t e

dt

S i t E i t

=

⋅

⋅

− ⋅ϖ⋅ −∞ +∞ − ⋅ϖ⋅ −∞ +∞

∫

∫

( )

( )

onde :

P t

_S

( )

é a forma do impulso de saída

P t

E

( )

é a forma do impulso de entrada

O teste de largura de banda no domínio da freqüência consiste na obtenção direta, através de medidas, da função H(W). É recomendado para situações de campo (instalação, manutenção). Este teste consiste em modularmos uma fonte de luz senoidalmente, fazendo uma varredura na freqüência de modulação. A energia luminosa é introduzida na fibra óptica e detectada na outra extremidade por um medidor de potência.

Medida no domínio da freqüência

O módulo da função transferência é dado pela seguinte expressão:

H(W)= Ps(W)

PE(W)

onde:

Ps(W) é a potência de saída em função da freqüência de modulação PE(W) é a potência de entrada em função da freqüência de modulação

Assim obtemos:

onde pode-se obter a banda passante B.

A largura de banda típica para fibras multimodo é menor que 1000MHz.km (500 a 600) em 850nm e para fibras monomodo temos de 10 a 100GHz.km em 1300nm.

Este teste é importante ser realizado em sistemas de fibras multimodo pois quando emendamos fibras com larguras de banda diferentes o resultado pode ser imprevisível. Uma expressão que prevê estatisticamente a largura de banda resultante é:

B

B

_i i

= 







− −

∑

1γ γ , onde: Bi é a banda passante do i-ésimo trecho

é o fator de concatenação de modos determinado empiricamente (para fibras ópticas multimodo = 0,8 é um valor típico, podendo variar de 0,5 a 1).

5.7

TESTE DE Abertura Numérica

A abertura numérica é um número que define a capacidade de captação luminosa da fibra óptica e é definida por:

AN

=

n

₁2

−

n

₂2 , onde: n1 é o índice de refração do núcleo

n2 é o índice de refração da casca

ou ainda:

AN

= sen

α

2

, onde:

Esta grandeza é intrínseca à própria fibra e é definida na fabricação, onde tem maior importância.

O valor típico para abertura numérica nas fibras multimodo 50/125um é 0,2 o que corresponde a um ângulo α=23° e α=11,5°. Como a abertura numérica é equivalente à distribuição de luz do campo distante, o teste mede a intensidade de luz desse campo.

Medida da distribuição de luz no campo distante

As medidas são obtidas através de um detector que percorre um deslocamento angular ou pela projeção do feixe de luz num anteparo graduado. Desta maneira se obtem o ângulo de abertura do feixe luminoso.

5.8

TESTE do perfil de índice de refração

Este teste tem maior importância na fase de fabricação de fibras ópticas.

Não existem limites para o perfil de índice ,uma vez que qualquer imperfeição no mesmo implica numa diminuição da banda passante da fibra óptica , esta sim com limites específicos. O valor do índice de refração num determinado ponto é proporcional à distribuição de luz do campo próximo.

Medida da distribuição de luz no campo próximo 5.9

Instalação de Cabos

Cabos ópticos requerem cuidados especiais para instalação pois as fibras são materiais frágeis e quebradiços. Deve-se observar que:

- o cabo não deve sofrer curvaturas acentuadas, o que pode provocar quebra das fibras em seu interior .

- o cabo não deve ser tracionado pelas fibras ou elementos de enchimento adjacentes a elas, mas sim pelos elementos de tração ou aço existentes no cabo.

- a velocidade de puxamento não deve ser muito elevada para permitir uma paralização imediata se necessário. - não se deve exceder a máxima tensão de puxamento especificada para o cabo. Esta deve ser monitorada, através de uma célula de carga ,durante todo o puxamento.

- o cabo deve ser limpo e lubrificado a fim de diminuir o atrito de tracionamento.

- deve-se puxar o cabo com um destorcedor para permitir uma acomodação natural do cabo no interior do duto ou canalização.

5.10

Confecção de Emendas

Existem dois tipos básicos de emendas que podem ser efetuadas: - emenda por fusão

- emenda mecânica

5.10.1

Emenda por Fusão

Neste tipo de emenda a fibra é introduzida numa máquina , chamada máquina de fusão, limpa e clivada, para , após o alinhamento apropriado, ser submetida à um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces das fibras, o que provoca o derretimento das fibras e a sua soldagem. O arco voltaico é obtido a partir de uma diferença de potencial aplicada sobre dois eletrodos de metal.

Após a fusão a fibra é revestida por resinas que tem a função de oferecer resistência mecânica à emenda, protegendo-a contra quebras e fraturas. Após a proteção a fibra emendada é acomodada em recipientes chamados caixa de emendas.

As caixas de emendas podem ser de vários tipos de acordo com a aplicação e o número de fibras. Umas são pressurizáveis ou impermeáveism, outras resistentes ao sol, para instalação aérea.

A CLIVAGEM é o processo de corte da ponta da fibra óptica. É efetuada a partir de um pequeno ferimento na casca da fibra óptica (risco) e a fibra é tracionada e curvada sob o risco, assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra.

A qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscópio.

5.10.2

Emenda Mecânica

Este tipo de emenda é baseado no alinhamento das fibras através de estruturas mecânicas. São dispositivos dotados de travas para que a fibra não se mova no interior da emenda e contém líquidos entre as fibras , chamados líquidos casadores de índice e refração, que tem a função de diminuir as perdas de Fresnel (reflexão). Neste tipo de emenda as fibras também devem ser limpas e clivadas.

Este tipo de emenda é recomendado para aqueles que tem um número reduzido de emendas a realizar pois o custo desses dispositivos é relativamente barato, além de serem reaproveitáveis.

5.11

Conectores

Os conectores utilizam acoplamentos frontais ou lenticulares, sendo que existem três tipos de acoplamentos frontais:

- quando a superfície de saída é maior que a de entrada

- quando a superfície de saída é igual à de entrada

E também existem dois tipos de acoplamentos lenticulares: - simétrico

- assimétrico

Os requisitos dos conectores são: - montagem simples;

- forma construtiva estável; - pequenas atenuações; - proteção das faces das fibras.

Os fatores que influenciam na qualidade de um conector são: - alinhamento

- montagem

- características de transmissão das fibras

Existem conectores: - para fibra única

Conector para fibra única

Conector múltiplo

Com relação à forma que se realiza o alinhamento podemos ter vários tipos de estruturas sendo que os mais comuns são os circulares e os tipo V-GROOVE. Os tipos circulares são recomendados para conexões duradouras enquanto que os V-GROOVE para situações provisórias de conexões de fibras nuas(sem revestimento).

Tipos de alinhamentos de fibras ópticas 5.12

Tipos de Fontes Ópticas

Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que são freqüentemente utilizadas: LED e LASER. Cada um destes dois tipos de fontes oferecem certas vantagens e desvantagens, e diferenciam-se entre sí sob diversos aspectos:

- Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se comparados com os leds.

LED : (-7 a -14dBm)

LASER : (1dBm)

- Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que proporciona menor dispersão material.

- Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

- Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.

- Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à temperatura.

- Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.

- Custos: os lasers são mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricação é maior.

- Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os leds. Ambos podem ser fabricados do mesmo material, de acordo com o comprimento onda desejado:

* AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.

* InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.

Através das características de ambos os elementos, vemos que o laser é o que nos fornece uma maior potência luminosa e uma menor largura espectral, razão pela qual é amplamente empregado nos circuitos ópticos. Desta forma, faremos um breve entendimento sobre os conceitos básicos do laser, bem como o seu funcionamento como fonte óptica.

5.12.1

Laser

Para entendermos o funcionamento de um laser, vamos tomar um laser a gás (HeNe) de maneira didática onde os números usados são ilusórios para maior visualização dos fenômenos.

Um átomo é composto de um núcleo e de elétrons que permanecem girando em torno do mesmo em órbitas bem definidas.

Quanto mais afastado do núcleo gira o elétron, menor a sua energia.

Quando um elétron ganha energia ele muda de sua órbita para uma órbita mais interna, sendo este um estado não natural para o átomo mas sim forçado.

Os lasers usados em sistemas ópticos são feitos de materiais semicondutores, os quais geram comprimentos de onda apropriados para transmissão (janelas de baixa atenuação). A cavidade onde ocorre o fenômeno laser é obtida através da diferença entre os índices de refração das várias camadas, da diferença de intensidade de campo elétrico e dos espelhos (face polida) do cristal semicondutor.

Existem dois tipos de lasers quanto ao tipo de fabricação:

- Lasers cujo guia de onda (cavidade ressonante) é induzida por corrente, chamados lasers GLD (gainguide laser diode).

- Lasers cujo guia de onda é incorporado pela variação de índice de refração, chamados lasers ILD (index guide laser diode).

a) Corrente de acionamento GLD: 50 à 120 mA ILD: 10 à 60 mA b) Astigmatismo GLD: forte ILD: muito fraco c) Sensibilidade GLD: baixa ILD: alta d) Técnica de fabricação GLD: simples ILD: complexa

Os lasers são geralmente montados em módulos que tem a função básica de garantir um perfeito funcionamento e alinhamento em condições de operação, pois são componentes herméticos ou selados.