Fibras: Materiais e Técnicas de Fabrico, e Cabos Ópticos

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Fibras: Materiais e Técnicas de Fabrico, e Cabos Ópticos

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MatériasMatérias--primas para o fabrico de fibras ópticasprimas para o fabrico de fibras ópticas

Na selecção de materiais para fabricar fibras certos requisitos devem ser satisfeitos:

Deve ser possível produzir fibras de espessura reduzida, flexíveis e com grandes comprimentos

O material deve ser transparente no comprimento de onda de operação

Devem existir materiais compatíveis com índices de refracção ligeiramente diferentes para o núcleo e a baínha

Materiais que satisfazem os requisitos acima enunciados são vidrose plásticos. A maioria das fibras são vidros de sílica (SiO₂, obtida a partir da vulgar areia) ou algum silicato. Existe uma enorme variedade de fibras de vidro, desde fibras com núcleos de grandes dimensões e elevadas perdas para aplicações de curta distância até fibras de baixa atenuação usadas em sistemas de transmissão a grandes distâncias.

As fibras de plástico são menos usadas devido à sua maior atenuação. A sua principal aplicação centra-se em sistemas de curta distância em ambientes adversos (p.ex., cablagem automóvel), onde a sua maior resistência mecânica é uma vantagem considerável sobre as fibras de vidro.

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PreformaPreforma

Fabricação da preforma

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Estiramento da preforma

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Técnicas de fabricoTécnicas de fabrico

Técnica “direct-melting”

Técnica “vapour-phase deposition”

O método “direct-melting”resulta da aplicação de processos tradicionais de fabrico de vidros, nos quais a fibra é fabricada a partir do vidro, altamente puro, no seu estado de fusão. O mais usual destes métodos é designado por “double-crucible method”.

Nos vários métodos “vapour-phase deposition”vapores altamente puros de haletos (p.ex., SiCl₄ou GeCl₄) reagem com o oxigénio para formar partículas de SiO₂. Estas partículas são então depositadas na superfície interna de um substrato ou tubo oco de vidro. Existem quatro processos diferentes: OVPO - Outside Vapour- Phase Oxidation, VAD - Vapour Axial Deposition, MCVD - Modified Chemical Vapour Deposition, PCVD - Plasma-Activated ChemicaL Vapour Deposition.

O tubo ou vara resultante designa-se por preforma; tipicamente, apresenta um diâmetro de 10 a 25 mm e um comprimento de 60 a 120 cm. As fibras são depois fabricadas por estiramento da preforma.

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Método “double-crucible”

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Métodos “vapour-phase deposition”

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OVPO - “Outside Vapour-Phase Oxidation”

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VAD - “Vapour Axial Deposition”

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MCVD - “Modified Chemical Vapour Deposition”

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PCVD - “Plasma-activated Chemical Vapour Deposition”

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Características das fibras ópticas: sumárioCaracterísticas das fibras ópticas: sumário

Fibras multimodo “step-index”

¾ Estrutura:

• Diâmetro do núcleo: 50 a 400 µm

• Diâmetro da baínha: 125 a 500 µm

• Diâmetro do “jacket”: 250 a 1000 µm

• Abertura numérica: 0,16 a 0,5

As fibras multimodo “step-index” podem ser fabricadas a partir de compostos de vidro (designado por vidro multicomponente) ou de sílica dopada. Apresentam diâmetros do núcleo elevados e grandes aberturas numéricas para permitir um acoplamento eficiente da potência luminosa de fontes ópticas incoerentes. As suas características de transmissão variam consideravelmente, dependendo dos materiais usados e das técnicas de fabrico (“melting” ou “deposition”). Quer o núcleo quer a baínha são fabricados de material idêntico, mas de índice de refracção ligeiramente diferentes (ver figuras acima). São designadas, muitas vezes, por fibras “glass/glass” (“glass cladding/glass core”) ou “sílica/sílica”.

Características de transmissão:

Atenuação:2,6 a 50 dB/km a um comprimento de onda de 0,85 µm Largura de banda: 6 a 50 MHz.km

Aplicações: Sistemas de curta-distância, pequenas larguras de banda e baixo custo

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Fibras multimodo “graded-index”

¾ Estrutura:

As fibras multimodo “graded-index”, com perfil gradual do índice de refracção do núcleo, podem ser fabricadas a partir de vidro multicomponente ou de sílica dopada. Todavia, tendem a ser fabricadas a partir de materiais com um elevado nível de pureza, o que se traduz numa melhoria significativa das suas

características de transmissão. Apresentam diâmetros do núcleo menores, apesar do seu diâmetro total ser idêntico às fibras “step-index”.

Alguns tipos de fibras, com núcleos e bainhas específicas, emergiram, sendo algumas delas definidas por normas internacionais. São elas:

- 50 µm / 125 µm (núcleo / baínha): normalizadas pelo ITU-T G.651, e desenvolvidas para aplicações de telecomunicações, são utilizadas principalmente em LANs e ligações de dados. Apresentam aberturas numéricas de 0,20 a 0,24, operando a 0,85 e 1,3 µm.

- 62,5 µm / 125 µm: usadas principalmente em LANs, sendo definidas dentro da norma FDDI. Apresentam aberturas numéricas de 0,26 a 0,29, podendo funcionar quer nas janelas de 0,85 µm quer na de 1,3 µm.

- 85 µm / 125 µm: usadas principalmente em LANs e sistemas de curta distância. Apresentam aberturas numéricas de 0,26 a 0,30, podendo funcionar quer nas janelas de 0,85 µm quer na de 1,3 µm.

- 100 µm / 140 µm: usadas em sistemas de curta distância e baixo custo. Apresentam aberturas numéricas de 0,30, operando a 0,85.

Atenuação:2 a 10 dB/km @ 0,85 µm; 0,4 dB/km @ 1,3 µm; 0,25 dB/km @ 1,55 µm.

Largura de banda: 300 MHz.km a 3 GHz.km

Aplicações: Sistemas de média-distância, com larguras de banda média a elevadas, usando quer fontes ópticas multimodo incoerentes (LEDs) ou coerentes (lasers)

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Fibras monomodo

¾ Estrutura:

• Diâmetro do núcleo: 5 a 10 µm, com um valor típico de 8,5 µm

• Diâmetro da baínha: em geral 125 µm

• Abertura numérica: 0,08 a 0,15 (usual de 0,10)

As fibras monomodo podem ter um perfil de índice de refracção “step-index” ou “graded-index”. Todavia, na actualidade, factores de ordem económica impõem que as fibras “step-index” sejam as mais divulgadas. São utilizadas em sistemas de alto desempenho, com grandes larguras de banda e grandes distâncias de

transmissão. Regra geral, são fabricadas de sílica dopada, com um grau de pureza muito elevado.

Apresentam os menores diâmetros do núcleo de todas as fibras, de maneira a permitir apenas a propagação de um único modo; todavia, as dimensões da baínha devem ser pelo menos dez (10) vezes superior às do núcleo, para evitar perdas resultantes do campo evanescente (relembrar que apenas 80% da energia se propaga no núcleo). Assim, as suas dimensões são idênticas às das fibras multimodo.

Atenuação:0,35 e 0,21 dB/km @ 1,3 e 1,5µm, respectivamente Largura de banda: em excesso de 10 GHz.km @ 1,3µm

Aplicações: Sistemas de grande distância, com larguras de banda elevadas, usando díodos laser com um único modo.

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Fibras totalmente em plástico

¾ Estrutura:

São fibras totalmente em plástico ou de polímeros, exclusivamente do tipo multimodo “step-index”, com núcleos e bainhas de grandes dimensões. Em geral, não necessitam de camadas de protecção, o seu fabrico é menos oneroso e são mais fáceis de manusear do que as fibras de sílica. No entanto, as suas características são bastante restritivas, sendo o seu uso em sistemas de comunicação bastante limitado.

A pesquisa actual centra-se na melhoria das suas características, em particular funcionamento a temperaturas elevadas, melhorias das suas propriedades mecânicas e maior durabilidade, em particular a agentes químicos.

Atenuação:50 a 1000 dB/km a um comprimento de onda de 0,65 µm

Largura de banda: não é especificada (distâncias da ordem de dezenas de metros)

Aplicações: Sistemas de muito curta-distância e baixo custo; utilizam-se também para fins decorativos (iluminação) e potencial de aplicação em cablagens de automóveis.

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Cabos de fibras ópticasCabos de fibras ópticas

As funções do cabo de fibras ópticas são:

Protecção da fibra

Estabilidade das características de transmissão das fibras

Resistência mecânica

Identificação e junção das fibras no interior do cabo

Se as fibras são alternativas a meios de transmissão tradicionais, como os cabos eléctricos, então é imperativo que possam ser instaladas e mantidas em todos os tipos de ambiente (enterradas, debaixo de água, aéreas, etc). Por conseguinte, as suas características mecânicas devem ser adequadas às situações atrás indicadas.

Todavia, a fibra óptica, apesar de resistente e forte (o seu módulo de Young é bastante elevado), é quebradiça (como é de vidro não deforma plasticamente donde têm baixa tolerância à absorção de energia resultante de qualquer impacto), facto que se traduz em várias desvantagens relativamente à sua resistência e durabilidade.

Torna-se, por isso, necessário envolvê-las numa estrutura que aumente a sua robustez e as proteja de influências externas adversas - os cabos de fibra óptica (ou, abreviadamente, cabos ópticos).

As funções dos cabos ópticos podem sintetizar-se nas seguintes áreas:

1- Protecção da fibra: a sua principal função é proteger a fibra de sofrer danos ou rupturas quer durante a sua instalação quer durante o seu tempo de vida útil.

2- Estabilidade das características: as fibras cableadas devem apresentar características de transmissão (atenuação e largura de banda) estáveis, com valores comparáveis aos

apresentados pela fibra nua.

3- Resistência mecânica:os cabos ópticos devem ter propriedades mecânicas (tensão, torção,

compressão, curvatura e vibração) idênticas às dos cabos eléctricos. Tal consegue-se através de um desenho adequado do cabo e da inclusão de um (ou vários) elementos tensores.

4- Identificação e junção das fibras: tal reveste-se de grande importância para cabos contendo um número elevado de fibras, onde se requer a possibilidade de efectuar várias junções em simultâneo, em vez de fibra a fibra sequencialmente.

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Técnicas de protecção / isolamento das fibras

¾ “Tight buffer jacket”

¾ “Loose buffer jacket”

Durante o fabrico de fibras ópticas, como já referido, é aplicado, após o estiramento da preforma, uma camada de protecção, designada de “primary coating”, com o objectivo de impedir a abrasão da superfície da fibra e subsequentes rachadelas. A esta camada de protecção é aplicada uma outra para proteger a(s) fibra(s) de influências ambientais e mecânicas externas. Tal camada secundária designa-se por “buffer jacket”, podendo classificar-se em dois tipos básicos:

-“Tight buffer jacket”: consiste numa camada, em geral um plástico duro, a qual está em contacto directo com a camada primária. Com uma espessura de 0,25 a 1 mm de diâmetro, garante rigidez à fibra contra micro-curvaturas e outras influências externas; é usado preferencialmente em aplicações no interior de edifícios.

-“Loose buffer jacket”: a fibra é colocada no interior de um tubo oco, bastante resistente. Esta configuração permite isolar a fibra de forças externas. Apresenta um diâmetro de 1 a 2 mm. A sua aplicação tanto pode ser no interior como no exterior de edifícios - neste último caso, estruturas mais complexas são necessárias.

Uma variante de “loose buffer” resulta de quando a cavidade oca interna do tubo de protecção é cheia com um composto repelente à humidade (em geral uma geleia hidrófoba, à base de derivados de petróleo ou compostos de silicone). Combina-se assim a vantagem do método “tight buffer” com o “loose buffer”, garantindo-se também uma barreira de protecção contra infiltrações de água na imediata vizinhança da fibra.

Tal configuração, dada a sua importância e uso generalizado, recebe a designação de “filled loose buffer jacket”.

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Elementos estruturais e tensores dos cabos ópticos

É prática corrente os cabos ópticos incluírem um ou mais elementos estruturais, os quais servem de núcleo ou fundação em torno do qual as fibras “bufferizadas” são dispostas. Estes elementos estruturais podem ser elementos tensores de um material adequado, como um cabo de aço sólido de grande diâmetro, ou vários cabos de aço entrançados, de menor diâmetro, ou ainda fios de Kevlar^©(patente da DuPont Ltd.).

Os elementos estruturais podem ainda ser não-metálicos, donde os cabos recebem a designação de cabos ópticos totalmente dieléctricos.

A figura ilustra duas configurações de cabos ópticos, com elementos tensores centrais idênticos (cabo de aço sólido) mas restantes elementos estruturais distintos: no caso da figura a),o próprio elemento tensor serve de elemento estruturante, enquanto no caso b)o elemento estrutural é em plástico extrudido.

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Cabos com uma única fibra

A figura ilustra o desenho de cabos de uma única fibra: a) “tight buffer jacket”; b) “loose buffer jacket”.

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Cabos de duas fibras

Cabos de duas fibras: a) “indoor” para utilização no interior de edifícios; b) “flat”, também para o interior de edifícios, em particular debaixo de carpetes.

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Cabos multi-fibras: “loose buffer tube”

Vantagens:

¾ Fibras isoladas das forças mecânicas e ambientais (expansão térmica)

¾ Resistência à humidade devido à geleia hidrófoba nos tubos

¾ Fácil acesso às fibras sem cortar o cabo (“window cut”)

Desvantagens:

¾ Preparação dos cabos exige mão de obra especializada de custos elevados

¾ Equipamento de terminação do cabo bastante caro

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Cabos multi-fibras: “tight buffer tube”

Vantagens:

¾ Fibras isoladas das forças mecânicas e ambientais (expansão térmica)

¾ Resistência à humidade devido à geleia hidrófoba nos tubos

¾ Fácil acesso às fibras sem cortar o cabo (“window cut”)

Desvantagens:

¾ Preparação dos cabos exige mão de obra especializada de custos elevados

¾ Equipamento de terminação do cabo bastante caro

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Cabos multi-fibras: “slotted core tube”

Vantagens:

¾ Protecção excelente em aplicações em que o cabo está enterrado directamente (“direct buried”) pois o seu núcleo suporta carga elevadas

Desvantagens:

¾ Difícil acesso às fibras sem ter de cortar o cabo, devido ao enrolamento helicoidal das fibras nas ranhuras

¾ Difícil de fabricar

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Cabos multi-fibras: “ribbon cable with central core”

Vantagens:

¾ Fibras isoladas das forças mecânicas e ambientais (expansão térmica)

¾ Resistência à humidade devido à geleia hidrófoba nos tubos

¾ Diâmetro reduzido

¾ Barato

Desvantagens:

¾ Difícil acesso às fibras sem cortar o cabo

¾ Elemento de reforço do “ribbon” básico:

as suas “abas” tornam o desnudamento do cabo mais difícil