1 Fibra óptica e Sistemas de transmissão ópticos

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1 1 Fibra óptica e Sistemas de transmissão ópticos 1.1 Introdução Consiste de um guia de onda cilíndrico, conforme Figura 1, formado por núcleo de material dielétrico ( em geral vidro de alta pureza), e por uma casca também de material dielétrico (vidro ou plástico) com índice de refração ligeiramente inferior ao núcleo, empregados como meio de transmissão para sinais ópticos. Podem também estar presentes, para proteger sicamente a bra, uma ou várias camadas de material amortecedor de impacto e resistente à tensão mecânica. Figura 1: Fibra óptica 1.2 Sistema de transmissão óptica Um sistema de transmissão óptica, conforme Figura 2 é constituído de três componentes: a fonte de luz, o meio de transmissão e o receptor/detector. A fonte de energia luminosa pode ser um Diodo Laser LD ou um Light Emitting Diode LED, ou seja, dispositivos que tenham a capacidade de emitir luz. O meio de transmissão é uma bra óptica, onde o feixe luminoso se propaga. O detector é um fotodiodo, que é capaz de gerar um pulso elétrico quando iluminado por um feixe de luz. Em uma aplicação desse sistema, a informação que é transmitida pode ser um sinal de voz proveniente de um telefone, sinais de vídeo ou dados digitais de um computador. Tanto os sinais de telefonia quanto os de vídeo são codicados numa seqüência binária de zeros e uns, e são multiplexados para transmissão num único pacote de taxa de dados elevada. 1.3 Princípio básico de funcionamento da bra óptica O princípio básico que faz com esse meio de transmissão transporte a luz é o princípio óptico da reexão interna total. A lei de Snell, equação 1, que relaciona os ângulos de incidência, φ i, e refração, φ R, com os índices de refração, dos meios materiais envolvidos, é empregada para explicar o processo de reexão interna total, conforme ilustra Figura 3. 1

2 Figura 2: Diagrama de blocos de um sistema de transmissão óptica η 1 sin φ 1 = η 2 sin φ 2, (1) onde, η 1 e η 2, são, respectivamente, os índices de refração da região 1 e região 2. O índice de refração relaciona a velocidade de propagação da onda eletromagnética com o tipo de meio, isto é η 1 = c v 1, onde c é a velocidade da luz no vácuo e v 1 a velocidade da luz no meio 1. Índice de refração relativo é denido por η 12 = η 1 η 2 = v 2 v 1. Figura 3: Reexão interna na bra óptica Na Figura 3 quando η 1 > η 2 o raio refratado se aproxima do eixo horizontal. O ângulo limite para que ocorra refração é θ R = 90 o. Acima desse ângulo se tem reexão interna total. É importante observar que um feixe de luz pode ser composto por vários comprimentos de onda, assim em um meio material, para cada comprimento de onda tem-se um índice de refração diferente (prisma). Portanto, para um feixe de luz se tem velocidades de fase diferentes e uma velocidade de grupo para a frente de onda. 2

3 1.4 Tipos de bra óptica Existem duas classes principais de bras ópticas: as monomodo e as multimodo. As bras monomodo de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação, transmitindo apenas o raio axial. Esse tipo de bra possui um núcleo e uma blindagem de diâmetros reduzidos, além de a diferença entre seus índices de refração também ser bem pequena, possibilitando que a luz se propague em linha reta ao longo do cabo, conforme ilustra a Figura 4. Figura 4: Fibra monomodo As bras multimodo possuem um núcleo composto de um material de índice de refração constante e superior ao da sua casca. Possuem vários modos de propagação, a luz pode viajar por diversos caminhos diferentes. De acordo com o perl da variação de índices de refração da casca com relação ao do núcleo, classicam-se em: índice degrau, Figura 5 e índice gradual, Figura 6. As bras de índice gradual apresentam desempenho superior à de índice degrau. Figura 5: Fibra multimodo degrau 1.5 Distorção e atenuação em bras ópticas Basicamente, há dois fatores que inuenciam na distância máxima que uma bra pode transmitir informação: a atenuação e a distorção. A atenuaccão é causada pela absorção do material (estrutura atômica), emendas e conectores (falhas e defeitos de fábrica). A distorção em bras ópticas é denominada dispersão. São considerados os seguintes tipos de dispersão. 3

4 Figura 6: Fibra multimodo gradual Dispersão modal: para bras do tipo multimodo, o diâmetro do núcleo é muito maior que o comprimento de onda de luz. Isso permite a geração de uma grande quantidade de ondas individuais ou modos. Esses modos diferem na sua velocidade de propagação. Um pulso de luz que ao entrar na bra óptica gere vários modos ao mesmo tempo será dividido em vários pulsos parciais que chegam ao m da - bra em instantes de tempo diferentes. O pulso cará mais largo que o de entrada correspondente. Nas bras monomodo a dispersão modal praticamente não existe possibilitando a propagação apenas de um tipo de onda. Dispersão do material: Depende da composição do material da bra e da largura espectral da fonte luminosa. Em razão do tipo do material a propagação do núcleo não é a mesma para todos os comprimentos de onda, fazendo com que os diversos componentes do espectro da fonte luminosa se propaguem com velocidades diferentes, causando o alargamento do pulso. Dispersão de guia de onda: é uma medida da dependência da velocidade de grupo dos modos individuais, das dimensões do núcleo e do comprimento de onda da luz. Uma vez que as dimensões da bra óptica são constantes a relação entre comprimento de onda e as dimensões do guia de onda só mudam se o comprimento de onda muda. Como o fator de fase do guia de onda, β = 2π, sofre alterações em λ razão do comprimento de onda, a velocidade de propagação, v p = ω β, associada a cada comprimento de onda muda, mudando a forma do sinal na saída. Esse efeito pode ser importante em bras monomodo para compensar a dispersão material. 1.6 Abertura numérica Existe um ângulo de incidência limite, conforme ilustra a Figura 7, para os raios penetrando no núcleo de uma bra óptica, acima do qual os raios não satisfazem as condições de reexão interna total e portanto não são transmitidos. Esse ângulo conhecido como ângulo de aceitação da bra é deduzido aplicando-se a lei de Snell, o que resulta em: θ A = sin 1 [ (η2 1 η 2 2) 1 2 η 0 ], (2) 4

5 onde, η 0 é o índice de refração do meio onde a bra está imersa, η 1 é o índice de refração do núcleo e η 2 da casca da bra óptica. A abertura numérica (NA) de uma bra óptica é então expressa por: NA = sin(θ A ). (3) A abertura numérica determina, então, um ângulo de aceitação para os raios luminosos que atingem a face de entrada da bra óptica, caracterizando a capacidade de captação de energia luminosa pela bra óptica bem como a ecência de acoplamento entre bra e fonte luminosa. Figura 7: Abertura numérica para uma bra óptica 1.7 Número de modos de propagação em uma bra óptica Modos de propagação, estão associados a teoria de propagação eletromagnética, são determinados pelas equações de Maxwell, considerando as condições de contorno impostas pelos materiais que compõem a bra óptica. Ao atingir a fronteira entre núcleo e casca a onda eletromagnética interfere com as cargas de polarização e correntes de magnetização nessa fronteira transmitindo energia e causando a irradiação de novas ondas. Esses modos representam um conjunto de ondas eletromagnéticas que são guiadas de maneira estável pelo guia. Exemplo de modos de propagação é o modo TE (transversal elétrico) onde se tem, supondo propagação na direção z, H z 0 e E z = 0. No modo TM (transversal de magnética) H z = 0 e E z 0. O número de modos de propagação (N) em uma bra óptica do tipo degrau pode ser obtido por: N = V 2 2, (4) E para bras ópticas do tipo gradual: N = V 2 g g + 2, (5) 5

6 onde, g é denominado expoente de relação entre a distância radial e o raio do núcleo; V é dado por: V = 2πa NA, (6) λ V é a frequência normalizada ou diâmetro normalizado, λ é o comprimento de onda em metros e a o raio do núcleo também em metros. Para V < 2, 405 a bra óptica com índice em degrau é classicada como monomodo. A bra multimodo exige V > 2, Janelas de transmissão A sílica, material empregado para confecção de bras ópticas, sofre dopagens para reduzir atenuações (absorção de energia pelas impurezas do vidro) e permitir a transmissão de informação a longas distâncias. Esta dopagem permite o controle do índice de refração e da qualidade de transmissão. As menores atenuações ocorrem nas janelas de: 820 nanometros atenuação de 2,5 db/km; 1300 nanometros atenuação de 0,5 db/km; 1550 nanometros atenuação de 0,3 db/km. 1.9 Largura de Faixa A largura de faixa está inversamente relacionada a dispersão temporal introduzida nos pulsos transmitidos. Como a dispersão é medida por unidade de deslocamento da luz, a largura de faixa é medida em MegaHertz metro (MHZ.Km). Na caracterizção de uma bra óptica de comprimento L mede-se uma largura de banda f max correspondente a frequência da modulação na qual a amplitude da potência óptica cai a 3 db na saída da bra óptica em relação ao valor aplicado na entrada, B o = f max L[MHzKm]. Para uma bra óptica multimodo a largura de banda nal é B f = Bo, onde γ é o fator de L γ concatenação: 0, 5 γ 0, 6 0, 7 γ 0, 9 0, 8 γ 1 Exercício 1. Uma bra óptica possui um núcleo com 50 micrometros de diâmetro e índice de refração igual 1,50. Sua casca tem um diâmetro de 125 micrometros e índice de refração igual a 1,48. Determinar o ângulo crítico entre o núcleo e a casca, a abertura numérica e o ângulo máximo de captação na face da bra. 6

7 2. Supondo índice do núcleo igual a 1,506 e índice da casca igual a 1,500, perl degrau, diâmetro do núcleo de 50 micrometros, comprimento de onda igual a 0,85 micrometros, calcular o número de modos guiados desta bra. 3. Determinada irradiação eletromagnética apresenta no vácuo um comprimento de onda de um micrometro. Qual o comprimento dessa onda ao atravessar um composto de sílica cujo índice de refração é 1,52? 4. Determinar o diâmetro máximo do núcleo de uma bra óptica com perl de índice em degrau para garantir a propagação em um modo único no comprimento de onda de 1300 nanometros. O núcleo apresenta um índice de refração de 1,510 e a casca um índice de 1, Uma bra multimodo se índice degrau com 4Km de extensão apresentou uma freqüência de corte de 220MHz no comprimento de 850nm. Qual é a largura de banda especicada para a bra. Qual será o valor desta característica para um comprimento de 13Km dessa bra. 7