LABORATÓRIO 3 PROPAGAÇÃO EM FIBRAS ÓPTICAS

LABORATÓRIO 3

P

F

Ó

1. RESUMO

Determinação da dependência espectral da atenuação numa fibra óptica de plástico. Verificação do valor da abertura numérica da fibra.

2. INTRODUÇÃO

Desde há vários anos que a transmissão em fibras ópticas de “vidro” é comum. No entanto, nas redes locais não é habitual a comunicação óptica nos últimos 100 metros junto do utilizador. A principal razão é os custos elevados dos equipamentos e da instalação. As fibras ópticas de plástico apresentam custos muito inferiores em relação às fibras convencionais para além de um manuseamento mais fácil. No entanto, as fibras de plástico apresentam atenuações muito superiores às fibras de “vidro” sendo por isso apenas indicadas para ligações de pequena distância.

2.1. FUNCIONAMENTO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO

As experiências são realizadas por um grupo de três alunos que têm de entregar no final da aula um relatório da sessão de laboratório. O grupo dispõe de 3 horas para a realização das montagens e elaboração do respectivo relatório. O presente guia de laboratório descreve as montagens e as experiências que têm de ser realizadas e serve simultaneamente como relatório. Cada grupo deverá entregar no final da aula uma cópia do relatório com todos os dados e resultados das experiências devidamente preenchidos, bem como pequenas descrições e justificações sobre os resultados obtidos.

A composição dos grupos e o horário da respectiva sessão de laboratório são previamente marcadas com o docente da disciplina durante a aula de apresentação. Cada grupo poderá apenas comparecer no horário de laboratório previamente acordado. Impedimentos de força maior que impeçam por parte dos alunos a realização do laboratório no horário estipulado terão de ser previamente comunicados ao docente. A não comparecência de um aluno na sua sessão de laboratório equivale a sua não realização e correspondente nota de 0 valores nessa componente de avaliação.

Antes da sessão de laboratório os alunos terão de ler cuidadosamente este guia de laboratório e

preencher a respectiva secção de dimensionamento. Só será autorizado o acesso ao laboratório

aos grupos que entreguem ao docente no início de cada sessão uma cópia do dimensionamento. Os alunos podem tirar dúvidas sobre o seu ensaio durante os horários de dúvidas da cadeira ou enviando as suas questões para o e-mail do docente (joao.rebola@iscte.pt).

2.2. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO

Nesta sessão de laboratório utilizam-se os seguintes equipamentos:

• Módulo de emissão, Figura 1(A). Dispõem de dois canais independentes, um gerador de

funções, um mili-amperímetro e 6 fotoemissores (5 LEDs de diferentes comprimentos de onda e 1 LASER).

• Módulo de recepção, Figura 1(B). Dispõem de 4 fotodetectores (3 PIN e 1 APD), um

(A) (B) Figura 1 – (A) Módulo de emissão; (B) Módulo de recepção.

• Fibras Ópticas de PMMA. Serão utilizados diferentes troços de fibras ópticas de

Polymethyl Methacrylate (PMMA) com núcleo com cerca de 1 mm de diâmetro e índice de refracção n1=1.49. O índice da refracção da bainha é n2=1.41. Na Figura 2

apresenta-se a dependência da constante de atenuação da fibra com o comprimento de onda.

Figura 2 – Curva da atenuação da fibra óptica de PMMA.

• Posicionador óptico. Braço óptico que permite controlar desvios longitudinais e

angulares na ligação entre duas fibras ópticas.

Figura 3 – Posicionador óptico. 2.3. SEGURANÇA

Antes de aplicar qualquer tensão assegure-se que todas as ligações estão correctamente efectuadas. Nenhum equipamento pode sair do laboratório. Também não é conveniente olhar para a saída das fibras, apesar de a potência envolvida ser baixa.

Data: _________ Horário: __________ Turma: _______Turno: _______ Grupo: ____ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ 3. DIMENSIONAMENTO

Esta secção visa preparar os alunos para as experiências que irão realizar no laboratório. Todos os grupos terão de no início da sessão de laboratório entregar ao docente uma cópia desta secção.

Para um sinal monocromático dentro do espectro visível [considere que o espectro visível se situa entre 580nm e 620nm], estime qual a sua potência óptica máxima e mínima de saída após a propagação ao longo de L=200 m de fibra óptica de PMMA. Considere que, na entrada da fibra, o sinal apresenta uma potência óptica de Pin=25

µ

Determine o ângulo máximo de incidência θmax na abertura da fibra óptica de PMMA e o

respectivo valor da abertura numérica (NA).

Figura 4 – Propagação de um raio meridional no interior de uma fibra óptica. Cálculo de θmax e da NA:

4. ESQUEMA DA MONTAGEM

De seguida, enumeram-se os passos da montagem da experiência a realizar.

A. Verifique que ambos os módulos de emissão e recepção se encontram desligados da tomada. No módulo de emissão os botões (P1 e P3) de controlo do ganho do canal 1 e 2 têm de ser totalmente rodados no sentido anti-horário. Realize o mesmo procedimento com os botões (P2 e P4) que regulam a corrente de alimentação dos fotoemissores Ibias.

B. Ligue o módulo de emissão. Seleccione para o canal 1, usando o botão INPUTS CH.1, a entrada DC (segundo LED na primeira coluna da Figura 5).

Figura 5 – Controlo da entrada de sinal no módulo de emissão.

C. Comute o mili-amperímetro (A-METER CH.1/CH.2) do módulo de emissão para leitura da corrente de alimentação Ibias no canal 1 (primeiro LED à direita do visor da Figura 6).

Figura 6 – Mili-amperímetro do módulo de emissão.

D. No módulo de emissão seleccione para o canal 1, o fotoemissor #1 (LED a λ=526 nm),

usando o botão OUTPUTS CH.1. Quando o fotoemissor estiver activo o primeiro LED na primeira coluna da Figura 7 ficará aceso.

E. Retire a protecção preta do fotoemissor #1 no lado direito do módulo de emissão, Figura 8. Não se esqueça de guardar convenientemente a protecção, para tornar a colocar quando acabar a experiência.

Figura 8 – Saídas ópticas dos fotoemissores.

F. Retire as protecções nas extremidades de um troço de fibra óptica de PMMA de 1 m. Não se esqueça de guardar convenientemente as protecções, para tornar a colocar quando acabar a experiência. Ligue o troço de fibra óptica à saída do fotoemissor #1. Note na pequena ranhura dos conectores que apenas permitem a ligação numa única posição.

G. Ligue a alimentação do módulo de recepção. Seleccione para a entrada analógica (ANALOG IN), o fotodetector #4 (PIN Si 2.5 mm) [quarto LED vermelho no lado esquerdo da Figura 9].

Figura 9 – Controlo das entradas analógicas do módulo de recepção.

H. No medidor de potência óptica (FUNCTION OF OPTICAL METER), escolha a função de medida DC, LED verde no canto inferior esquerdo da Figura 10. Na unidade de medição de potência deverá ficar iluminado um LED verde a indicar a entrada de sinal pelo fotodetector #4. No botão preto do medidor de potência, SELECTOR WAVELENGTH (canto inferior direito da Figura 10), seleccione medições para o comprimento de onda de 526 nm.

Figura 10 – Medidor de potência óptica.

I. Retire a protecção preta do fotodetector #4 no lado esquerdo do módulo de recepção, Figura 11. Não se esqueça de guardar convenientemente a protecção, para tornar a colocar quando acabar a experiência.

J. Ligue o troço de fibra óptica à entrada do fotodetector #4. Note na pequena ranhura dos conectores que apenas permitem a ligação numa única posição.

K. Chame o docente para que as ligações sejam verificadas antes de incrementar a corrente de alimentação do fotoemissor.

L. Aumente a corrente do fotoemissor para Ibias=15 mA (botão P2) e espere cerca de 1

minuto para que o fotoemissor estabilize. Certifique-se que, no módulo de emissão junto ao botão de controlo da intensidade da corrente, o LED vermelho de overload se encontra desligado. Caso contrário reduza ligeiramente a amplitude da corrente até o referido LED se apagar.

5. EXPERIÊNCIAS

De seguida descrevem-se os resultados que têm ser obtidos pelos alunos. 5.1. DEPENDÊNCIA ESPECTRAL DA ATENUAÇÃO

No módulo de recepção, leia o valor da potência óptica recebida em Watts [espere até que o resultado estabilize]. O botão vermelho na base do módulo de recepção permite alterar a leitura da potência entre escala linear e logarítmica. Retire o troço de fibra de 1 m e volte a liga-lo no sentido inverso. Leia novamente o valor da potência óptica recebida em Watts. Em seguida, retire o troço de fibra de 1 m e substitua-o pelo troço de 50 m (não se esqueça de guardar convenientemente as protecções da extremidade da fibra, para tornar a colocar quando acabar a experiência). Leia o novo valor de potência recebida. Ligue o troço de 50 m em sentido inverso e volte a anotar o valor de potência recebida.

Desligue a fibra do fotoemissor #1 e volte a colocar a protecção no emissor. No módulo de emissão seleccione para o canal 1 o fotoemissor #2 (LED a λ=590 nm) e na sua saída óptica ligue o

troço de fibra de 1m. Assegure-se que a outra extremidade deste troço de fibra se encontra ligada ao fotodetector #4. No medidor de potência do módulo de recepção, ajuste a medição para o comprimento de onda de 590 nm. Leia o valor de potência recebida. Repita este ensaio para a fibra de 1 m no sentido inverso e a fibra de 50 m em ambos os sentidos.

Repita o ensaio anterior para ambas as fibras, em ambos os sentidos, mas agora com o fotoemissor #3 (LED a λ=660 nm) e, em seguida, com o fotoemissor #4 (LED a λ=850 nm). Para o

fotoemissor #3 regule, no módulo de emissão, a corrente de alimentação para cerca de

Ibias=10.5 mA e para o fotoemissor #4 para cerca de Ibias=16 mA. Certifique-se sempre que, no

módulo de emissão junto ao botão de controlo da intensidade da corrente, o LED vermelho de

overload se encontra desligado. Caso contrário reduza ligeiramente a amplitude da corrente até o

referido LED se apagar. Relembre-se de que para cada fotoemissor é necessário reajustar, no módulo de recepção, o comprimento de onda do medidor de potência.

Devido à atenuação elevada da fibra óptica de PMMA a λ=1300 nm é necessário alterar

ligeiramente o procedimento anterior para a medição neste comprimento de onda. Seleccione no módulo de emissão o fotoemissor #6 (LED a λ=1300 nm) e ajuste a sua corrente de alimentação

para cerca de Ibias=85 mA. Ligue a fibra de 1 m à saída do fotoemissor e ligue a outra extremidade

da fibra ao fotodetector #2 (PIN InGaAs 1mm). Seleccione, no módulo de recepção, para a entrada analógica o fotodetector #2. No medidor de potência do módulo de recepção, altere o selector de comprimentos de onda para seleccionar medições para o comprimento de onda de 1300 nm. Leia o valor de potência recebida. Repita este ensaio para a fibra de 1 m no sentido inverso. Com um adaptador ST-ST ligue duas fibras de 1 m entre os módulos. Leia o novo valor de potência recebida. Repita este ensaio invertendo o sentido do conjunto das duas fibras.

Preencha a Tabela 1 com os valores de potência obtidos para cada comprimento de onda e represente na Figura 14, a variação da constante de atenuação com o comprimento de onda.

Com os resultados obtidos preencha a secção 7.1 do relatório e comente possíveis diferenças com o dimensionamento.

5.2. ABERTURA NUMÉRICA

Rode totalmente no sentido anti-horário o botão P2 do módulo de emissão. Prepare o módulo de emissão para funcionar com o fotoemissor #3 (LED a λ= 660 nm). Ligue ao canal 1, o gerador

de funções interno (GEN) do módulo de emissão, primeiro LED na primeira coluna da Figura 5. Junto ao referido LED, comute o interruptor S1(1) para a posição DC e altere o interruptor S1(2) para a posição AC. No gerador de funções, Figura 12, seleccione um sinal sinusoidal pressionando o botão SHAPE até o LED verde indicar SINUS. Em seguida, pressione o botão cinzento para impor uma frequência de 1 kHz.

Figura 12 – Gerador de funções do módulo de emissão.

Rode o botão do ganho do canal 1 (botão P1) totalmente no sentido horário. Incremente a corrente de alimentação até cerca de Ibias=5 mA (botão P2). Certifique-se que, no módulo de

emissão junto ao botão de controlo da intensidade da corrente, o LED vermelho de overload se encontra desligado. Caso contrário reduza ligeiramente a amplitude da corrente até o referido LED se apagar. Ligue um troço de fibra óptica de 1 m à saída óptica do fotoemissor #3 e ligue a outra extremidade da fibra ao conector ST no braço direito do posicionador óptico, Figura 13. Desloque ao longo do braço do posicionador, o conector ao qual acabou de ligar a fibra, o máximo no seu sentido esquerdo de modo à extremidade da fibra ficar alinhada com o eixo do disco do posicionador.

Retire a tampa do fotodetector externo (PIN Si 1mm) e coloque-o no braço esquerdo do posicionador óptico, Figura 13. Se necessário desparafuse e retire o conector ST desse braço do posicionador. Verifique se o fotodetector tem o adaptador para medição ligado. Ligue o fotodetector ao módulo de recepção na entrada óptica externa #5, usando o cabo EXTERNAL SENSOR. Seleccione, no módulo de recepção, a entrada analógica do fotodetector #4 (o LED verde deverá ficar intermitente). No medidor de potência óptica, escolha a função de medida de 1 kHz [LED vermelho no canto inferior esquerdo da Figura 10]. No botão preto do medidor de potência, ajuste as medições para o comprimento de onda de 660 nm.

Figura 13 – Montagem com o braço óptico.

Alinhe os dois braços do posicionador de modo a que o dispositivo marque um ângulo de 0º e leia o valor da potência óptica no módulo de recepção. Desloque o fotodetector ao longo do braço, até que a potência medida sejam cerca de 300 nW. Rode o braço esquerdo do posicionador com o fotodetector de modo a obter um ângulo de 4º e volte a anotar o valor da potência recebida. Repita

este procedimento até 40º com intervalos de 4º. Em seguida rode novamente o posicionador para obter um ângulo de -4º e repita as leituras até -40º com intervalos de 4º. Preencha a Tabela 2 e represente na Figura 15, a potência recebida em função do ângulo entre o eixo da fibra e o fotodetector.

Considere que o ângulo máximo de incidência

θ

óptica é inferior a 10% do valor segundo o eixo da fibra. Estime o valor da abertura numérica (NA) da fibra óptica de PMMA. Com os resultados obtidos preencha a secção 7.2 do relatório e comente possíveis diferenças com o dimensionamento.

6. CONCLUSÃO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO

A. No módulo de emissão, rode totalmente no sentido anti-horário o botão P1 do ganho do canal 1 e realize o mesmo procedimento com o botão P2 que regulam a corrente de alimentação dos fotoemissores Ibias.

B. Desligue os dois módulos (emissor e receptor).

C. Torne a colocar as protecções que tirou dos conectores das fibras e das respectivas entradas e saídas nos módulos. Caso tenha tirado as tampas do fotodetector, volte a colocá-las.

Data: _________ Horário: __________ Turma: _______Turno: _______ Grupo: ____ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ 7. RELATÓRIO

Cada grupo após terminar a sessão de laboratório terá de entregar ao docente uma cópia deste relatório. Os alunos deverão preencher todos os valores solicitados, justificar os resultados obtidos e se possível efectuar a comparação com os valores teóricos estimados.

7.1. DEPENDÊNCIA ESPECTRAL DA ATENUAÇÃO

Apresente os valores obtidos para a potência recebida com os diferentes fotoemissores e com os diferentes troços de fibra. Determine a constante de atenuação

α

Potência recebida (µW)

Fotoemissor

1m (A-B) 1m (B-A) 50m (A-B) 50m (A-B)

Constante de atenuação α (dB/m) #1 (LED a λ=526 nm) #2 (LED a λ=590 nm) #3 (LED a λ=660 nm) #4 (LED a λ=850 nm) Potência recebida (nW)

1m (A-B) 1m (B-A) 2m (A-B) 2m (A-B)

Constante de atenuação α (dB/m)

#6 (LED a λ=1300 nm)

Tabela 1 – Valores medidos para a potência recebida nos diferentes comprimentos de onda. Desenhe um gráfico da constante de atenuação em função do comprimento de onda.

Compare o gráfico anterior com a Figura 2.

Para além da atenuação, comente que outros efeitos podem limitar a propagação numa fibra óptica.

7.2. ABERTURA NUMÉRICA

Apresente os valores obtidos para a potência recebida consoante o ângulo entre o eixo da fibra e o fotodetector. Ângulo (º) -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 Potência (nW) Potência (%) Ângulo (º) 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Potência (nW) Potência (%)

Tabela 2 – Valores medidos para a potência recebida em função do ângulo entre o eixo da fibra e o fotodetector. Na figura 15 desenhe a percentagem de potência recebida em função do ângulo.

Figura 15 – Potência recebida em função do ângulo entre o eixo da fibra e o fotodetector.

Com base nas medições de potência determine o ângulo máximo θmax de incidência na fibra e o

correspondente valor para a abertura numérica (NA). Compare os valores obtidos com os apresentados no dimensionamento.