ANÁLISE DA PERDA DISTRIBUÍDA EM FIBRAS DE CRISTAL FOTÔNICO Leonardo Fernando Leone (IC) e Christiano J. S. de Matos (Orientador)
Apoio: PIVIC Mackenzie Resumo
Este trabalho de iniciação científica teve o intuito de desenvolver e testar um sistema para medir a perda distribuída ao longo do comprimento de fibras de cristal fotônico (PCF’s, do inglês photonic crystal fibres). Sua relevância está no fato de que as formas de se medir perda em PCF’s ainda são pouco precisas e os estudos desenvolvidos com essas fibras têm requerido uma maior precisão na caracterização deste parâmetro. São apresentadas as montagens experimentais desenvolvidas para a medição da perda distribuída com a utilização de um OFDR (optical frequency-domain reflectometer), assim como os resultados colhidos de medições com uma fibra convencional, como referência, e de uma fibra de cristal fotônico de núcleo oco que trabalha no comprimento de onda de 1550nm. Apesar de a perda na fibra convencional ser baixa demais para ser medida com a técnica, o estudo desta fibra forneceu informações importantes quanto à dificuldade de se caracterizar com precisão a perda nos primeiros centímetros do guia de onda. Para a fibra de núcleo oco o resultado obtido foi de 0,44dB/m de atenuação, que é significativamente maior do que a atenuação especificada, possivelmente devido à contaminação do interior da fibra. Maiores atenuações foram medidas para menores comprimentos de onda, conforme esperado. Esses resultados levaram a uma avaliação de que o sistema forneceu dados satisfatórios, apesar de limitações para fibras curtas. Futuros trabalhos dedicados poderão aprimorar ainda mais a montagem e caracterizar fibras PCF’s de outros tipos.
Palvras-chave: atenuação, fibra de cristal fotônico, fibra de núcleo oco
Abstract
The aim of this research project was to develop and test an experimental setup to measure the distributed loss along the length of photonic crystal fibres (PCF’s). Its relevance is in the fact that techniques to measure the loss in PCF’s still present low accuracy and studies using these fibres have requested higher and higher accuracy in the characterization on this parameter. Experimental setups dedicated to measure loss using an OFDR (optical frequency-domain reflectometer) are presented, as well as the results for conventional fibres, as a reference, and for a hollow-core PCF operating at 1550nm. Although the conventional fibre’s loss is too low to be measured with the technique, the study with this fibre provided important information about difficulties in accurately measuring losses in first centimeters of the waveguide. For the hollow-core fibre the measured attenuation was 0.44 dB/m, which is significantly higher than the nominal attenuation, probably due to contamination inside the PCF holes. Higher attenuations were measured at shorter wavelengths, as expected. These results lead to the conclusion that the measuring system provides satisfactory data, despite the limitations for short lengths of fibre. Future work can improve the setup and characterize other types of PCF’s. Keywords: attenuation, photonic crystal fibres, hollow core fibre
1. Introdução
A importância da utilização das fibras ópticas em sistemas de comunicação e de sensoriamento tem crescido fortemente nos últimos anos, assim como as pesquisas engajadas em melhorar suas características e descobrir novas aplicações. Neste contexto, as fibras de cristal fotônico (PCF’s, do inglês photonic crystal fibres) têm sido objeto de intensos estudos, por apresentarem características que agregam novas perspectivas na utilização de guias de onda ópticos como meio de medição de grandezas como pressão, temperatura e extensão.
Uma das importantes características para a especificação de uma fibra óptica é a atenuação. O método mais utilizado para medir esta característica consiste se em medir a potência na saída da fibra estudada e, feito isso, se cortar a fibra perto do seu início para que mais uma vez a potência na saída deste novo trecho de fibra seja medida. A diferença entre os dois valores é o valor do que a fibra perde de potência ao longo de seu comprimento. Dividindo este valor pelo comprimento cortado obtém-se a atenuação por unidade de comprimento.
As PCF’s, entretanto, ainda apresentam grandes desafios na determinação da atenuação em laboratório porque estas fibras são geralmente fabricadas em comprimentos relativamente curtos, ocasionando medidas de atenuação com altos erros associados. Além disso, o método tradicional não determina a atenuação local, em regiões específicas da fibra, que em PCF’s pode diferir da atenuação média devido a problemas durante a fabricação.
Neste trabalho, utilizou-se o aparelho OFDR (optical frequency-domain reflectometer) para se obter uma medição da perda distribuída ao longo da fibra, ou seja, para se visualizar a atenuação da fibra em qualquer trecho dela sem a necessidade de cortá-la. Além disso, o sistema requer um comprimento de fibra menor para se fazer as medidas. O objetivo do trabalho foi, portanto, se medir perda distribuída em comprimentos relativamente pequenos de PCF’s com características específicas. Para isso, desenvolveu-se um sistema confiável para lançamento da luz em fibras com características não compatíveis com as de fibras convencionais, para as quais o equipamento foi desenvolvido.
2. Referencial Teórico
2.1. Fibras Ópticas Convencionais
A fibra óptica convencional (ou seja, não PCF) é constituída, basicamente, por um núcleo de vidro dopado, uma casca de vidro e uma jaqueta plástica, todos cilíndricos e concêntricos,
como mostra a Figura 1. O método de guiamento de luz em fibras convencionais se baseia no fenômeno da reflexão interna total. Este fenômeno corresponde a uma situação em que a refração é inibida pois o feixe luminoso incide sobre uma interface de dois meios, a partir do meio mais refringente, fazendo com a normal à interface um ângulo de incidência maior que um ângulo limite. Neste caso, a luz não mais se refrata e sim sofre reflexão total, mantendo-se no meio mais refringente. O ângulo limite é calculado como mantendo-se mantendo-segue:
θC = arcsin α
α = n2/n1, n1 > n2,
onde, no caso de uma fibra, n1 e n2 são o índice de refração do núcleo e da casca,
respectivamente. É importante notar que a reflexão interna total numa fibra só pode ocorrer se o núcleo tiver um índice de refração maior do que o da casca. Para obter tal resultado o índice do núcleo é elevado através de dopantes no vidro.
Figura 1-Estrutura de uma fibra óptica convencional (SANTOS, A. B., 2007).
Uma característica importante está relacionada ao número de modos da fibra. O diâmetro do núcleo geralmente determina se a fibra é monomodo ou multimodo. Fibras com diâmetro entre 12,5 µm e 100 µm tendem a ser multimodo e fibras com diâmetro entre 1 µm e 10 µm tendem a ser monomodo (SANTOS, A. B., 2007).
2.2 Fibra de Cristal Fotônico
A fibra de cristal fotônico (PCF, do inglês Photonic Crystal Fiber) possui, na seção transversal de sua casca, uma estrutura periódica, geralmente composta de buracos, que corre paralelamente ao núcleo por todo seu comprimento. Em alguns casos, ela é constituída de tal maneira que esta periodicidade possibilita o guiamento da luz pelo efeito de bandgap fotônico, como será explicado adiante. As PCF’ s podem ser divididas em duas classes (SANTOS, A. B., 2007): PCF’s com núcleo oco, Figura 2(a), e PCF’s com núcleo sólido, Figura 2 (b).
(a) (b)
Figura 2. (a) Seção transversal de uma PCF de núcleo oco (OLIVEIRA,2010). (b) Seção transversal de uma PCF de núcleo sólido (OLIVEIRA,2010).
A PCF de núcleo sólido guia a luz utilizando o princípio de reflexão interna total da luz, assim como a fibra convencional. A diferença funcional entre a PCF de núcleo sólido e a fibra convencional está no fato de que a primeira faz uso da estrutura de capilares em torno do núcleo, ao invés de dopante, para obter um índice de refração médio na casca inferior ao índice do vidro sólido.
Uma PCF de núcleo oco, por outro lado, não pode guiar luz por reflexão interna total, já que seu núcleo, de ar, sempre possuirá índice de refração menor do que o da microestrutura. Neste caso, quando existe guiamento, este é viabilizado pelo efeito de “bandgap” fotônico. Neste efeito, a luz lançada originalmente no núcleo sofre sucessivas reflexões parciais e refrações nas diversas interfaces ar-vidro existentes na estrutura da fibra. Dependendo do comprimento de onda do feixe incidente, seu ângulo de incidência, e a dimensão dos orifícios dos capilares da fibra, a luz refletida de volta ao núcleo pode sofrer interferência construtiva (SANTOS, A. B., 2007), ficando efetivamente confinada a este. Neste caso, diz-se que há uma zona proibida (ou, em inglês, “bandgap”) para os fótons na microestrutura da casca. Essa técnica de guiamento de luz cria um vasto campo de novas possibilidades que têm sido estudadas e desenvolvidas por terem muitas aplicações práticas. Uma aplicação interessante é o guiamento de pulsos de alta energia, que quando se propagam por um núcleo sólido sofrem fortes distorções temporais e espectrais. Em fibras de núcleo oco, este efeito de distorção é cerca de 1000 vezes menor.
2.3 Mecanismos de Perda em Fibras Ópticas
Uma importante característica de um sistema de fibras ópticas é a degradação do sinal devido a mecanismos de perda, pois isso determinará a distância máxima pela qual a luz pode se propagar com níveis aceitáveis de potência. A atenuação, em dB/km, é a perda em potência do feixe luminoso por unidade de comprimento da fibra:
onde P1 é a potência de entrada, P2 é a potência de saída e L é o comprimento da fibra.
Os mecanismos de perda que podem causar atenuação no sinal em fibras são divididos em absortivos e radiativos. Os absortivos são subdivididos em intrínsecos (absorção da luz causada pelas moléculas constituintes da fibra) e extrínsecos (absorção da luz causada por impurezas da fibra). Os radiativos podem ser causados pelo espalhamento Rayleigh (espalhamento da luz causada por variações da densidade do vidro muito menores que o comprimento de onda da luz guiada), por emendas ou por imperfeições da fibra (como rugosidade entre o núcleo e a casca e variação no diâmetro do núcleo) (GHATACK, A, 2000). Em PCF’s, este último mecanismo em geral ocasiona a maior parte da atenuação. Em uma fibra convencional padrão de telecomunicação, a atenuação é de 0,2 dB/km. Em PCF’s, por outro lado, devido a imperfeições na microestrutura e à rugosidade existente nas superfícies dos buracos, a atenuação pode chegar a centenas de dB/km, apesar de perdas na faixa de dezenas de dB/km serem mais comuns e de perdas muito similares às de fibras padrão de telecomunicação já terem sido atingidas (TAJIMA, A., 2007). Em PCF’s de núcleo oco as perdas típicas reportadas são de ~30 dB/km. A PCF de núcleo oco que foi objeto de estudo tem 10 µm de diâmetro de núcleo e é produzida para ser utilizada em 1550nm. O seu fabricante, NKT photonics,informa que a perda neste comprimento de onda é menor do que 0,03dB/m. Devido às grandes variações de atenuações encontradas em PCF, a caracterização detalhada da perda é essencial.
É importante ressaltar a influência que o meio em que a fibra está exposta pode ter na perda, no caso de PCF’s. Segundo Bise (2004) em PCF’s a deposição de moléculas de água na superfície interna dos buracos da microestrutura pode ocorrer em temperatura e umidade ambientes e deve ser considerada uma importante fonte de perda. Perdas de mais de 100 vezes o valor originalmente medido em uma PCF foram reportadas nestes casos (BISE, R.T., 2004). Essa constatação será levada em conta na conclusão deste trabalho.
3. Método
O equipamento utilizado para fazer a aquisição de dados foi o OFDR (optical frequency-domain reflectometer). Ele é uma variação do OTDR (optical time-frequency-domain reflectometer), que é largamente utilizado para caracterização de sistemas de fibras ópticas. O OTDR funciona de forma análoga a um sonar submarino. Ele emite um pulso de luz pela fibra conectada em sua saída e monitora a amplitude da luz que volta pela fibra em função do tempo que esta demora para retornar ao aparelho. Com isso, é capaz de localizar o ponto ao longo da fibra onde a luz foi refletida ou retro-espalhada. Como a atenuação da fibra
reduz o sinal propagado em função da distância, a análise da redução da amplitude da luz retro-espalhada com a distância equivale diretamente à medida da atenuação na fibra. O OFDR, equipamento utilizado, funciona de forma bastante similar ao OTDR. Entretanto, ao invés de modular temporalmente o sinal lançado na fibra, modula-o espectralmente através da varredura do comprimento de onda de sua fonte de luz. A resposta temporal é obtida aplicando-se uma transformada de Fourier ao sinal espectral. O fabricante deste equipamento é o Luna Technologies e o seu modelo é o OBR-30m. Como ele faz uma varredura na freqüência, seu comprimento de onda central é variável. Os experimentos realizados utilizaram comprimentos de onda centrais entre 1537,03 nm e 1568,53 nm. Sua resolução espacial é de 30 µm e o comprimento máximo medido é de 30 m. O fabricante também disponibiliza um software. Através deste software é possível ajustar o comprimento de onda do laser, visualizar a resposta obtida pela varredura, fazer um tratamento prévio nos dados obtidos, alterar a resolução espacial, e coletar os dados.
O primeiro desafio encontrado na utilização do OFDR foi a conexão entre uma fibra especial, como as PCF’s, e o aparelho. A saída do OFDR é ligada a um cordão óptico de fibra padrão com conector do tipo FC/APC, que possui uma terminação com fibra clivada em ângulo. Apesar de a conexão com fibras convencionais poder ser simplesmente feita através de uma emenda de fibra óptica ou de uma conexão entre fibras conectorizadas, as características singulares das PCF’s não necessariamente permitem o uso desses métodos simples. Uma série de métodos foi, portanto, testada com fibras convencionais e com PCFs. Com uma fibra convencional é possível conectar a fibra estudada ao cordão ligado ao OFDR. Neste caso, ambas as fibras têm seus núcleos compostos pelo mesmo material, vidro dopado, permitindo que na interface entre as duas fibras haja pouca reflexão já que a luz não está mudando de meio. Com PCF’s de núcleo oco isso não ocorre porque a luz sai de um meio de vidro dopado para emergir no ar ou em um núcleo de vidro circundado por ar. Isso causa uma alta reflexão que adiciona ruído ao sinal do OFDR e impede o estudo da atenuação neste tipo de fibra utilizando esta forma de acoplamento.
O primeiro sistema para se acoplar a luz do OFDR em uma fibra utilizava conectores do tipo FC/APC no cordão ligado ao OFDR e SC/APC na fibra estudada, como mostra a figura 3. Neste caso, mesmo que a fibra a ser caracterizada não tenha conectores, é possível se emendar conectores em suas pontas. Este método funciona bem para fibras convencionais, mas não funciona para a maioria das PCF’s, que não são conectorizadas e que apresentam dificuldades para serem emendadas em fibras convencionais.
Figura 3- Montagem utilizando conexão entre cordão óptico e fibra a ser caracterizada conectorizada.
A segunda montagem, testada com fibras convencionais e PCF’s, utilizava uma máquina de emenda de fibras. Esta máquina permite a visualização das duas fibras a serem emendadas em uma tela e, desta forma, é possível se ajustar o posicionamento das fibras nos três eixos espaciais. A Figura 4 mostra como o experimento foi montado. O cordão óptico é conectado ao OFDR, enquanto que a sua outra ponta é clivada para haver bom acoplamento de luz com a PCF, também com ponta clivada.
Figura 4- Sistema utilizando máquina de emendas.
No entanto, a diferença de diâmetro entre os núcleos da fibra convencional e de algumas PCF’s dificultava o acoplamento de luz com este método. Além disso, a alta reflexão na interface entre o cordão óptico e uma PCF interferia na visualização no OFDR do trecho de interesse da fibra. Por esses motivos, este método de medição de perda foi descartado para PCF’s.
O esquema do terceiro sistema então testado, idealizado para uso com PCFs, é mostrado na Figura 5. Nesse caso, o acoplamento da luz é feito através de um par de lentes especiais que apresentam um revestimento anti-refletivo para o comprimento de onda de operação do OFDR (1550nm).
Figura 5- Montagem utilizando um par de lentes com revestimento anti-reflexivo para 1550nm.
O procedimento para uso deste sistema foi realizado da seguinte forma. O conjunto de lentes era alinhado, ou seja, o feixe que saia do cordão era colimado pela primeira lente e direcionado para a segunda lente onde seus raios convergiam para um único ponto. Em seguida a PCF era alinhada com a segunda lente de tal forma que, com um ajuste fino de sua posição, pudesse haver o máximo de acoplamento da luz. Para saber o quanto de luz estava sendo acoplada, um medidor de potência óptica era colocado na extremidade livre da PCF para se otimizar o acoplamento. Um valor considerado aceitável de acoplamento de luz é entre 15% e 20% da potência da fonte de luz. Vale ressaltar que a potência do laser do OFDR era baixa para fazer o alinhamento do sistema e para isso foi utilizado um laser sintonizável que oferece uma potência maior no mesmo comprimento de onda de 1550 nm. Como será mostrado, este método funcionou bem tanto para PCF’s quanto para fibras convencionais.
Para fazer a análise dos dados coletados do OFDR foi utilizado o software Origin. Nele foi possível visualizar o gráfico com mais detalhes, filtrá-lo e utilizar a sua ferramenta de Regressão Linear.
4. Resultados e discussões
Como mencionado, alguns experimentos de controle foram, inicialmente, realizados com fibras convencionais no intuito de se familiarizar com o OFDR e com a resposta do sistema. No primeiro experimento de teste foi utilizada uma fibra padrão de telecomunicações de ~2 km de comprimento. Em suas duas extremidades foram colocados conectores do tipo FC/APC. Foi realizada a montagem mostrada na Figura 3. A Figura 6 mostra o resultado obtido pelo OFDR e a reta de regressão linear (em vermelho) obtida pelo Origin. Devido às perdas, espera-se que a parte do gráfico que representa a fibra estudada seja uma reta decrescente. Sua inclinação corresponde, então, à atenuação. A utilização de uma
regressão linear para se medir tal inclinação ajuda a remover, desta medida, ruído e alguns tipos de imprecisão experimental.
O resultado obtido pela regressão linear para esta primeira fibra foi de uma inclinação positiva de 0,063 dB/m. Por ser um valor positivo, não pode corresponder à uma atenuação real. Conclui-se, portanto, que o OFDR não possui precisão adequada para medir perdas muito baixas, típicas de fibras convencionais de telecomunicações.
Figura 6- Gráfico obtido pelo OFDR para a primeira fibra convencional testada, com a reta de regressão linear em vermelho.
O pico de reflexão mostrado na Figura 6 representa a conexão entre o cordão e a fibra. A distância entre este pico de reflexão e o ponto no qual o gráfico do OFDR atinge valores iguais ao do espalhamento na fibra, próximo a -100 dB,é de aproximadamente 3,2 cm como mostra Figura 7. Desta forma, conclui-se que para fibras de poucos centímetros, uma conexão, como a realizada, entre duas fibras praticamente idênticas pode impedir a medição da atenuação em uma parcela significativa do comprimento.
Figura 7- Imagem ampliada do pico de reflexão na interface entre cordão e fibra convencional.
Em seguida, na tentativa de se reduzir a região obscurecida pela reflexão na entrada da fibra, uma fibra convencional padrão de telecomunicações foi utilizada com a montagem do par de lentes. Esta fibra consistia de um cordão óptico para telecomunicações com terminação APC (do inglês Angled Physical Contact) em ambos os lados. Havia a necessidade de utilizar um cordão com terminação APC (que possui a extremidade da fibra em ângulo) exatamente para diminuir a reflexão em sua entrada. A figura 8 mostra o resultado obtido com o OFDR. É possível identificar no gráfico os picos de reflexão referentes ao cordão ligado ao OFDR, às lentes e ao cordão estudado. Entretanto, estas reflexões são, todas, pelo menos ~10dB inferiores às medidas com a montagem anterior. Neste caso a região obscurecida pela reflexão foi de 6,6 cm. Este resultado impede que seja concluído que este método é mais eficiente quanto à extinção do pico de reflexão na entrada da fibra. No entanto, é possível que a maior região obscurecida decorra não da reflexão na ponta em si, que é neste caso menor, mas em uma quantidade de luz lançada na casca da fibra ao invés de no núcleo.
Figura 8- Curva de potência retro
lentes para acoplamento da luz em um cordão óptico com terminação APC.
Figura 9- Resultado do OFDR com o sistema com lentes e cordões APC. A r
vermelho, indica o trecho utilizado para a modelagem matemática.
A Figura 9 mostra um gráfico similar ao da Figura 8, mas exibindo o sinal inteiro, desde o inicio do cordão ligado ao OFDR até o final do cordão estudado.
reta a partir de regressão linear desta fibra
Curva de potência retro-espalhada em função da distância obtida com o OFDR e o sistema com duas lentes para acoplamento da luz em um cordão óptico com terminação APC.
Resultado do OFDR com o sistema com lentes e cordões APC. A reta de regress vermelho, indica o trecho utilizado para a modelagem matemática.
A Figura 9 mostra um gráfico similar ao da Figura 8, mas exibindo o sinal inteiro, desde o inicio do cordão ligado ao OFDR até o final do cordão estudado. Foi realizado um ajus
de regressão linear desta fibra e sua inclinação, novamente positiva, foi de
espalhada em função da distância obtida com o OFDR e o sistema com duas lentes para acoplamento da luz em um cordão óptico com terminação APC.
eta de regressão linear, em vermelho, indica o trecho utilizado para a modelagem matemática.
A Figura 9 mostra um gráfico similar ao da Figura 8, mas exibindo o sinal inteiro, desde o realizado um ajuste de e sua inclinação, novamente positiva, foi de
0,025 dB/m. Assim como ocorreu com a fibra do experimento anterior, o resultado obtido não condiz com o que ocorre quanto à atenuação de sinal na fibra.
Em seguida, ainda no intuito de se reduzir a região obscurecida na entrada da fibra, se realizou um novo experimento com o par de lentes, no qual uma fibra padrão de comunicações, de aproximadamente 17,90cm de comprimento, não conectorizada e não cabeada foi utilizada. Esta fibra teve sua camada protetora retirada em seus primeiros milímetros e sua ponta foi clivada em ângulo. A Figura 10 mostra o resultado. Observa-se que o espalhamento no revestimento protetor da fibra interfere significativamente nos 5,16 cm iniciais da fibra revestida. Por outro lado, observa-se que a remoção do revestimento faz com que apenas os ~6 mm iniciais da fibra permaneçam obscurecidos pelo pico de reflexão no início da fibra.
Figura 10- Curva de potência retro-espalhada em função da distância obtida com o OFDR para uma fibra convencional clivada em ângulo e com a proteção plástica removida de seus primeiros milímetros.
Feitos os experimentos iniciais mencionados acima, uma PCF foi, finalmente, caracterizada. A PCF que foi objeto de estudo foi a de modelo HC-1550-02. Esta é uma PCF de núcleo oco produzida para ser utilizada em 1550nm e seu fabricante, NKT Photonics, disponibiliza a informação de que a perda em 1550 nm é inferior a 0,03 dB/m. Além desta informação, o fabricante fornece um gráfico que mostra a atenuação em função do comprimento de onda, mostrado na Figura 11.
Figura 11- Curva de atenuação típica em função do comprimento de onda para a PCF de modelo HC-1550-02.
Tendo disponíveis os dados nominais fornecidos pelo fabricante e o OFDR, que pode fazer a varredura em diferentes comprimentos de onda próximos ao 1550nm, foi possível traçar um paralelo entre os dados experimentais e os dados nominais. Observa-se que para uma PCF de núcleo oco, o fato de clivar em ângulo não deixa reduz significativamente a reflexão na ponta da fibra, pois o feixe propagando pelo ar é inserido em um núcleo que também é de ar. Assim, esta interface não oferece grande reflexão e as amostras não foram clivadas em ângulo.
A primeira amostra de fibra HC1550-02 possuía aproximadamente 28 cm de comprimento. A Figura 12 mostra o traço do OFDR para todo o aparato experimental, no qual cada pico é identificado. Este gráfico representa a resposta do sistema quando o OFDR foi ajustado em 1550nm.
Figura 12- Experimento com uma fibra de núcleo oco e o uso de lentes. Os picos de reflexão estão
Entre os dois últimos picos mostrados na figura está a fibra HC
resultado da regressão linear não sofresse influência do pico de reflexão da entrada da fibra, apenas um trecho da fibra foi selecionado para o ajuste linear, como
reta em vermelho representa o resultado da regress inclinação da reta é de -6,4
Este resultado significativamente acima do nominal. Um
portanto, a de que havia outros modos com maior perda se propagando na fibra para o curto comprimento investigado, que influenciariam no resultado. Ou seja, o valor encontrado de atenuação pode não dizer só respeito ao modo f
Figura 13 – Gráfico obtido com o OFDR para
Experimento com uma fibra de núcleo oco e o uso de lentes. Os picos de reflexão estão especificados pelas setas.
Entre os dois últimos picos mostrados na figura está a fibra HC-1550
resultado da regressão linear não sofresse influência do pico de reflexão da entrada da fibra, apenas um trecho da fibra foi selecionado para o ajuste linear, como mostra a Figura 13. reta em vermelho representa o resultado da regressão linear feita pelo software Origin. A
6,47 dB/m e isso representaria, em módulo, a atenuação da fibra. Este resultado significativamente acima do nominal. Uma possibilidade levantada foi, portanto, a de que havia outros modos com maior perda se propagando na fibra para o curto comprimento investigado, que influenciariam no resultado. Ou seja, o valor encontrado de atenuação pode não dizer só respeito ao modo fundamental mas também a outros modos.
obtido com o OFDR para a fibra HC-1550-02 de 28 cm com a reta de regressão linear vermelho.
Experimento com uma fibra de núcleo oco e o uso de lentes. Os picos de reflexão estão
1550-02. Para que o resultado da regressão linear não sofresse influência do pico de reflexão da entrada da fibra, mostra a Figura 13. A ão linear feita pelo software Origin. A 7 dB/m e isso representaria, em módulo, a atenuação da fibra. a possibilidade levantada foi, portanto, a de que havia outros modos com maior perda se propagando na fibra para o curto comprimento investigado, que influenciariam no resultado. Ou seja, o valor encontrado de
undamental mas também a outros modos.
No intuito de tentar extinguir a influência de outros modos de propagação na fibra, foi utilizada uma segunda amostra de fibra HC-1550-02, de aproximadamente 8 m de comprimento. A Figura 14 mostra o resultado obtido quando se ajustou o OFDR em 1550 nm.
Figura 14- Gráfico obtido com o OFDR com a HC-1550-02 de aproximadamente 8 m de comprimento. A linha pontilhada identifica o ponto a partir do qual a curva deixa de ser não linear (fim da influência de modos de alta
ordem).
É possível se ver que os primeiros 3,5 m da fibra sofrem influência de outros modos e por este motivo a regressão linear foi realizada nesta região. A linha vermelha tracejada mostra a partir de que ponto pode-se utilizar do gráfico para a regressão linear. A Figura 15 mostra o gráfico ampliado na região em que a reta de regressão foi traçada.
O valor da atenuação encontrado pela regressão foi de 0,44 dB/m. Este valor está bem abaixo do valor encontrado no experimento anterior, mas ainda é mais de dez vezes maior do que o valor nominal da perda, fornecido pelo fabricante. Um dos fatores que podem ter contribuído para este resultado é a influência da umidade ambiente no aumento da capacidade da fibra em atenuar a luz (BISE, R. T., 2004).
Para investigar a variação da perda em função do comprimento de onda, o experimento foi repetido para nove diferentes comprimentos de onda do laser do OFDR. A Figura 16 revela que, apesar dos valores discrepantes em relação aos valores nominais, a resposta de fibra para diferentes comprimentos de ondas é coerente com o comportamento descrito pelo fabricante.
Figura 16- comportamento da atenuação na fibra em função do comprimento de onda.
5. Conclusões
Este trabalho analisou experimentalmente, com o uso de um OFDR, a perda em fibras convencionais e em PCF’s. Os dados obtidos utilizando o OFDR com fibras padrão levaram a medidas de atenuação negativa (ou seja, ganho), indicando que o método não é apropriado para a medição em fibras com perdas baixas. A influência da reflexão na ponta da fibra e do espalhamento ocorrido no revestimento plástico nos primeiros centímetros da fibra (~5 cm) foi identificada e dificulta a análise em situações em que a fibra não é clivada em ângulo e/ou em que este revestimento não pode ser removido. Os resultados obtidos com o sistema envolvendo um par de lentes e as fibras de cristal fotônico revelaram valores de atenuação acima do valor nominal, como ocorreu com a fibra de 28 cm (6,47 dB/m) e
com a fibra de 8 m (0,44 dB/m), sendo que no primeiro caso o valor encontrado se deve a modos de mais alta ordem. No segundo caso é possível que a umidade acumulada no interior dos buracos tenha contribuído para alto valor encontrado.
Um dado importante extraído através do sistema com lentes foi o gráfico da atenuação em função do comprimento de onda, que concorda qualitativamente com os dados fornecidos pelo fabricante. Este resultado dá um indicio de que o sistema mede uma atenuação compatível com o que é esperado para a fibra estudada. Por este motivo, pode-se afirmar que os resultados obtidos são satisfatórios ao menos para uma análise inicial.
O intuito inicial deste projeto era também medir a perda em fibras microestruturadas pós-processadas. O pós-processamento a poucos centímetros do início da fibra levaria a medidas obscurecidas pela alta reflexão e espalhamento, como foi mostrado pelos resultados obtidos. Entretanto, não se descarta a utilização do sistema com o par de lentes para medir a perda em fibras pós-processadas descascadas. Em um trabalho futuro poder-se-á buscar maior entendimento dos fatores que influenciam na aquisição dos dados pelo OFDR, tais como modos de propagação, ambiente em que a fibra se encontra e reflexões indesejadas. Tendo controle destes fatores será possível obter com maior precisão as medidas e isso viabilizará a utilização do método para caracterizar outras PCF’s comerciais e pós-processadas.
6. Referências
BISE, R.T., TREVOR, D.J. Surface absorption in microstructured optical fibers. In: Optical Fiber Communications Conference (OFC),Los Angeles,2004.
BJARKLEV, A., BROENG, J., BJARKLEV, A. S. Photonic Crystal Fibres. EUA: Springer, 2003.
GHATACK, A., THVAGARAIAN, K. Introduction to fiber optics. Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
OLIVEIRA, R. E. P. Caracterização da sensibilidade de fibras de cristal fotônico a pressão e temperatura para aplicações em sensoriamento. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie. São Paulo: Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2010.
SANTOS, A. B.Geração de Supercontínuo em fibra óptica de cristal fotônico com núcleo de água. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie. São Paulo: Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2007.
TAJIMA, K. Low loss PCF by reduction of hole surface imperfection. In: ECOC 2007, paper PD2.1.
