Índice dos Capítulos IX e X: Ruído e Fibras Ópticas

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1 Índice dos Capítulos IX e X: Ruído e Fibras Ópticas 9. Ruído Introdução ao Ruído Fontes de ruído Medição do ruído Técnicas de redução de ruído Fonte de ruído de banda larga Potência Equivalente de ruído (NEP) Fibras Ópticas em instrumentação Introdução Constituição e classificação de fibras ópticas Modos de funcionamento de uma fibra óptica a) Cabo de modo singular b) Cabo multimodo e cabo POF c) Fibras multimodo de índice gradual Desenho básico de um cabo de Fibras Ópticas e terminais de ligação Utilização de fibras ópticas como sensores Fibra óptica utilizada como sensor de temperatura Fibra óptica com transdutor de pressão Fibra óptica como sensor de som Fibra óptica como sensor de nível de fluidos Fibra óptica como nariz óptico Fibras Ópticas Transdutoras de Nível de Deslocamento (FOLDT)

2 9. RUÍDO 9.1 Introdução ao Ruído Por ruído de um sinal eléctrico entende-se qualquer sinal de corrente ou tensão esporádico ou estranho que apareça em qualquer circuito eléctrico ou electrónico, sobrepondo-se ao valor de sinal de interesse. À razão entre o sinal desejado e o sinal não desejado (ruído), designa-se por razão sinal ruído (s/n=(energia do sinal/energia associada ao ruído). O ruído pode ser de origem externa ou interna ao próprio circuito. Se o ruído provém do interior do circuito, designa-se por ruído gerado, caso contrário, designa-se por ruído conduzido (pelos cabos de ligação) ou radiado (por perturbações electromagnéticas). 9.2 Fontes de ruído Fontes de ruído típicas são: temperatura dos componentes eléctricos; frequência da linha; sinais de r.f.; descargas eléctricas; etc. Em termos de relação s/n, deve-se ter em conta que as energias em jogo sobre a mesma carga, são proporcionais ao quadrado da tensão e por isso, a relação s/ pode ser expressa sob a forma: 2 V s / n = 9.1 V 2 n As fontes de ruído estão divididas em dois grandes grupos: as internas (ao dispositivo sob teste) e as externas (acopladas ao dispositivo física ou electromagneticamente). As fontes de ruído internas recebem o nome de ruído gerado. O ruído Em termos de fontes de ruído externo, se este é levado para o dispositivo, através dos cabos de ligação, diz-se ruído condutivo se é acoplado a este devido à irradiação electromagnética de uma fonte (normalmente associado a sinais de elevada frequência ou turbulência ambiental), o ruído dizse radiado. Problema 9.1- Um dado sinal eléctrico de 10 µv é amplificado por um amplificador transistorizado de modo a que a saída seja de 100 mv. Sabendo que sobreposto ao sinal de saída existe um sinal de ruído de 15 µv, gerado pelo amplificador, determine qual a relação sinal ruído. Resolução s n ( ( = 6 ) 2 ) 2 = 4, O ter-se uma fonte de ruído padrão é importante para o teste de equipamento electrónico, nomeadamente de circuitos com amplificadores. O método de medida do ruído é o de medir o ruído à saída do dispositivo (amplificador) sob teste, com e sem introduzir no dispositivo sob 2

3 teste de um sinal de ruído conhecido. Uma das fontes de ruído normalmente utilizada é a de um díodo limitado por temperatura. Isto é, a corrente do díodo é função da temperatura deste, como por exemplo acontece com as válvulas a díodos onde o processo de condução é do tipo termo-iónico. Uma outra fonte de ruído utilizada para este efeito é a descarga numa ampola de gás (lâmpada de neon, por exemplo). Nestes casos, o ruído gerado é aleatório e cobre uma vasta faixa de frequências. 9.3 Medição do ruído O ruído mais comum é o ruído térmico gerado em condutores ou resistências eléctricas, designado por ruído Johnson. Neste caso, a potência de ruído gerado num condutor, P n é directamente proporcional ao produto da temperatura absoluta a que este se encontra pela largura de banda: P n =K B T B, 9.2 onde K B é a constante de Boltzman. A densidade de potência espectral (potência de ruído por unidade de largura de banda de frequência), é dada por: S n =P n / B= K B T 9.3 Deste modo, o sistema de geração de ruído pode ser descrito em termos de uma fonte de tensão, V n com em série com uma resistência interna de valor R n. Assim, se esta fonte for ligada a uma carga de valor R L tem-se que: P n = I R, n L em que I n =V n /(R n +R L ). Nestas condições, a condição de transferência de potência máxima dá-se quando R n =R L, obtendo-se: V n =(4 K B TR n B) 1/ Figura 9.1: Representação de uma resistência e da correspondente fonte de ruído (V n ) térmico associado e efeito de disparo (condensador). Se tivermos diferentes resistências ligadas em série tem-se: V 2 2 = V (1)... V ( n), n n + n 3

4 onde a correspondente razão sinal ruído é dada por: s/n=(v s /V n ) Problema 9.2- Um dado voltímetro possui uma resistência de entrada de 15 MΩ. Que tensão gerará por cada ciclo ou largura de banda? Resolução ,38 10 J 290º K Ω 14 2 En = 4KTR p B = 4( )( )( )(1Hz) = V º K. Hz 1 1 E n =0,49 µv. Define-se factor de ruído, F à razão entre as relações s/n à entrada e saída de um dado circuito eléctrico: ( s / n) input F =. 9.8 ( s / n) output Por figura de ruído, nf, entende-se o valor de F expresso em decibeis: nf = 10log10 F 9.9a) Isto é, a figura de ruído representa o valor logarítmico da razão entre a tensão de ruído à saída com ruído à entrada, pela tensão de ruído à saída sem ruído à entrada: nf V n = 10 log 9.9b) V 0 Problema 9.3- Um amplificador tem um sinal de entrada de 3 µv acoplado a um sinal de ruído de 1 µv. Se o factor de amplificação for de 20, determine a relação s/n à entrada e saída do amplificador. Se o amplificador adicionar ao sinal 5 µv de ruído, qual a nova relação s/n à saída. Neste caso, qual o valor do factor de ruído e da figura de ruído Resolução (s/n) i =(V i /V n ) 2 =9. Para a saída, a relação será a mesma, pois o factor de amplificação aplicase quer a V i quer a V n. Quando o amplificador adiciona 5 µv de ruído, passamos a ter: s/n=[(20 3)/(20 1+5)] 2 =5,76. Para o calculo do factor de ruído, devemos ter em conta que : ( s / n) input F =, pelo que se ( s / n) output obtém F=9/5,76=1,54. A figura de ruído (f) é dada por: f = 10log10 F, pelo que se tem f=1,87 db. 4

5 9.4 Técnicas de redução de ruído Para podermos eliminar ou reduzir o nível de ruído para valores aceitáveis num dado sistema, devemos primeiro determinar o modo como o ruído entra no sistema, se é gerado, conduzido ou radiado. O ruído internamente gerado pode provir de diferentes factores, incluindo da composição dos componentes utilizados. Uma dessas fontes é, por exemplo o Carbono utilizado em resistências. Neste caso, a porção condutora da resistência consiste em agregados de átomos perfeitamente alinhados, que mantêm as suas posições entre si no condutor., mas, o excesso de temperatura pode provocar a sua vibração. Essa vibração pode ser transmitida aos electrões de condução, provocando a modulação do fluxo de cargas por uma componente não desejada. Neste caso, como o ruído depende da temperatura, este aumenta com a potência interna de aquecimento da resistência (P=RI 2 ). Este tipo de ruído designa-se de ruído de Johnson. A vibração dos átomos da resistência cobre uma faixa de frequências bastante larga, pelo que o ruído gerado consiste num sinal que cobre uma vasta faixa de frequências, pelo que também se designa de ruído branco. Nesta categoria de ruídos são também englobados o ruído provocado pela turbina de um motor a jacto, ou o ruído de não sintonia, num rádio. Para se evitar ou controlar este tipo de ruído, deve-se reduzir a temperatura das resistências, utilizando dissipadores ou sistemas de convecção apropriados, que permitam controlar a temperatura a níveis aceitáveis. Outra forma, é a de recorrer a resistências de filme fino depositados em substratos isolantes. Nestes casos, qualquer tipo de blindagem ou filtro que se queira utilizar não resolve o problema de redução de ruído, pois este é interno e cobre uma vasta faixa de frequências. Um segundo tipo de ruído gerado internamente está associado a eventos eléctricos de curta direcção (transientes), que ocorrem em dispositivos activos, tais como transístores. Neste caso, a transição de cargas eléctricas nas junções do dispositivo semicondutor são sujeitas a uma aceleração, que por sua vez vão dar origem a perturbações electromagnéticas, fontes de geração de ruído. Uma vez que o período de tempo em que as cargas são aceleradas é curto, a banda de frequências coberta por ruído é também bastante vasta. Neste caso, pouco ou nada se pode fazer para se eliminar este ruído esporádico. Um ruído similar é gerado em válvulas, quando os electrões passam através dos vários eléctrodos. Neste caso o ruído designa-se de ruído de disparo. Neste caso, o uso de filtros selectivos pode ajudar a controlar o nível de ruído. Este tipo de ruído é próprio de dispositivos activos e de uma forma geral podemos dizer que corresponde (ou está associado) ao processo de recombinação de electrões e buracos. Por este facto, o ruído de disparo não é importante ou praticamente não existente em elementos passivos resistivos. O ruído nas resistências é de origem termodinâmica, como já se disse anteriormente (resultante do processo de condução/agitação de cargas, num meio condutor). 5

6 A variação do campo eléctrico na região entre as placas de um condensador e a variação do campo magnético na região que rodeia uma bobina, causam o aparecimento de sinais esporádicos. Uma vez que a variação desses campos se faz a frequências bem definidas, a utilização de um filtro sintonizado para essa frequência específica, permiti eliminá-lo. Uma das componentes de ruído que mais aparece em equipamento electrónico é a devida à frequência da rede (50 Hz). Este tipo de ruído pode ser conduzido para diferentes tipos de sistemas, pelo circuito de alimentação. A sua eliminação é possível, mas bastante difícil de ser conseguida, necessitando-se de recorrer a filtros passa baixo, ligados aos condutores, e circuitos de blindagem protegendo todo o sistema, que deve estar convenientemente aterrado. Em termos gerais, podemos dizer que a tensão equivalente de ruído se mantém praticamente constante para frequências elevadas e varia com 1/f, para baixas frequências. Isto é, o ruído como que tende a aumentar de um modo quase que exponencial, a medida que nos aproximamos da condição de corrente continua (ver figura). Ao comportamento do ruído a elevadas frequências, designamos por ruído branco ou Johnson. Este tipo de ruído Figura 9.2: Variação da tensão de ruído com a frequência. Na tabela que se segue apresentamos as técnicas utilizadas para a supressão de alguns tipos de ruído. Tabela 9.1 TÉCNICAS DE SUPRESSÃO DE RUÍDO Fonte de ruído Técnica para supressão do ruído Motores eléctricos e geradores Utilização de blindagem ligada á massa; uso de condensadores de desacoplamento ligado às escovas do motor; uso de condensadores de realimentação nos terminais das armaduras do motor ou gerador. Geradores de rf Terminais e cabos de interligação blindados; utilização de condensadores de desacoplamento e filtros em todas as linhas que entrem ou saiam da região blindada 6

7 Fonte de ruído Controladores, relés e comutadores Conversores Dc-dc Vibradores electromecânicos Reguladores de tensão dc à base de vibradores Ruído mecanicamente induzido Dispositivos de descarga e arco em gases Ruído de ignição Técnica para supressão do ruído Curto circuitar o relé ou comutador por um condensador, ligado em série com uma resistência limitadora de corrente, de modo a evitar a degradação dos contactos do comutador. Blindar a unidade; utilizar filtros passa baixo em todos os cabos que passem a blindagem. Blindar o vibrador; utilizar condensadores de passagem; todos os filtros devem de estar contidos dentro da blindagem e a sua ligação ao exterior efectuada a através de condensadores de passagem Blindar o vibrador; localizar o vibrador o mais próximo possível do gerador; blindar os cabos de ligação entre o regulador e o gerador; curto-circuitar os cabos de entrada de corrente continua no interior da blindagem por condensadores do tipo de passagem. Suporte com amortecedores próprios os cabos de ligação, para evitar a propagação de movimentos mecânicos; utilizar cabos de baixo ruído; utilizar amortecedores de ruído na instalação; utilizar filtros passa baixo. Instalar condensadores de desacoplamento nas linhas; utilizar blindagem em todos os componentes em contacto com a descarga; utilizar boas terras; substituir lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes. Ligar uma resistência de cerca de 10 kω em série com o cabo de alta tensão, nas proximidades de uma bobina; blindar a bobina e a resistência; Utilizar condensadores de desacoplamento à massa nas linhas de ligação da bobina ao distribuidor. 9.5 Fonte de ruído de banda larga Como já se mencionou, uma fonte de ruído de banda larga é um díodo termo-iónico ou díodo de ruído. Neste caso, o ruído do díodo, expresso em db é dado por: ndb d 0 + = 10 log( 20I Z 1) 9.10 onde I d é a corrente de saturação (cerca de 35 ma, para o díodo de ruído 5722); Z 0 é a impedância característica do cabo (50Ω, para o cabo coaxial). 7

8 Figura 9.3: Fontes de ruído de banda larga (díodo de ruído) e distribuidas ao londo de diferentes troços de cabo coaxial. 9.6 Potência Equivalente de ruído (NEP) Em dispositivos optoelectrónicos é necessário saber-se o valor mínimo de luz (energia) detectável. Assim, à potência luminosa incidente mínima necessária para gerar uma fotocorrente igual à corrente total de ruído do dispositivo optoelectrónico, designa-se por potência equivalente de ruído e designa-se por NEP: NEP=[corrente de ruído (A)/(Responsividade (A/W)] 9.10 O NEP é depende da largura de banda do sistema de medida. De forma a remover esta dependência divide-se as unidades NEP pela raiz quadrada da largura de banda. Tal faz com que as unidades do NEP passem a ser de Watts/Hertz -1/2. Uma vez que a conversão da potência da luz incidente em corrente depende do comprimento de onda da radiação incidente, o valor do NEP refere-se a um valor particular de comprimento de onda. Isto é, o NEP, tal como a responsividade, é uma função não linear com o comprimento de onda. O ruído gerado por um fotodíodo de silício cristalino, a funcionar sob polarização inversa, resulta da combinação do ruído de disparo ( shot noise ), devida à corrente de fuga no escuro e, o ruído Johnson, devido à resistência shunt do dispositivo e da temperatura ambiente. A corrente de disparo produzida pela corrente de fuga inversa do dispositivo é dada por: I S = ( 2qI d B) 9.11 onde I S é a corrente de disparo, q a carga do electrão (C), I d a corrente de fuga no escuro (A), B a largura de banda (Hz). A contribuição do ruído Johnson provém do ruído térmico associado às resistências shunt, série e de carga do dispositivo. Isto é: 4K BTB I j = 9.12 R onde I j é a corrente de ruído de Johnson, K B é a constante de Boltzman, T é a temperatura absoluta (ºK), R a resistência em ohms, associada ao ruído, B a largura de banda (Hz). 8

9 A corrente total de ruído é dada por: I = ( I + I 9.13 T 2 S 2 j O ruído de disparo é o componente dominante da corrente de ruído de um fotodíodo polarizado inversamente. Tal é particularmente verdadeiro para tensões elevadas. Se os dispositivos funcionam no modo fotovoltaico, com polarização nula, o ruído Johnson domina, à medida que a corrente no escuro se aproxima de zero. Se os dispositivos funcionarem no modo de polarização nula (ver capítulo 8.8) a corrente de ruído é reduzida, o mesmo acontecendo ao NEP. Deste modo, o sinal mínimo detectável é reduzido, e há perda de sensibilidade do dispositivo, neste modo de funcionamento. Problema 9.4- Suponha que tem um fotodíodo em que a corrente no escuro é de 2 na e a resistência shunt vale Ω. A responsividade do fotodíodo é de 0,5 A/W e a largura de banda do sistema é de 1 Hz. Nestas condições, determine os ruídos de disparo, Johnson e total do fotodíodo bem como o respectivo NEP. Resolução Por aplicação directa das equações anteriores tem: I S = 2, A; I j = 5, A; I T = 2, A; NEP= 5, W. 10. FIBRAS ÓPTICAS EM INSTRUMENTAÇÃO 10.1 Introdução A fibra óptica não é mais do que uma fibra de vidro ou de plástico capaz de guiar a luz de um extremo ao outro, com o mínimo de perdas. Isto é, as fibras ópticas servem de suporte à propagação de sinais eléctricos de muitíssima eleva frequência, que são convertidos em luz (ou energia óptica), que são depois transportados através da fibra óptica para um outro local e finalmente convertidos de novo em sinais eléctricos. As fibras ópticas só começam a ser utilizadas como meio de transmissão de radiação/sinais electromagnéticos a partir dos anos 70 do século vinte, quando a firma Corning conseguiu pela primeira vez produzir uma fibra com perdas de 20 db/km. Isto é, ainda permaneceria 1% da luz inicial, após esta ter viajado 1 km. Desde então, reconheceu-se a sua importância, essencialmente como forma de transmissão de sinais e informação, a muito altas frequências, na área das telecomunicações. Actualmente, existem fibras ópticas com factores de atenuação que vão desde os 0,5 db/km a 10 3 db/km, função do tipo de aplicação desejada. Hoje em dia a fibra óptica é também utilizada na transmissão de sinais de TV por cabo, transmissão de informação em redes computacionais, para além da sua aplicação como sensores, iniciada durante os anos 80 do século vinte. A enorme vantagem das fibras ópticas quando comparadas com os cabos metálicos ou coaxiais para transmissão de sinais é: 9

10 Elevada largura de banda, completamente independente do tamanho do cabo; Baixa atenuação. Isto é, perdas ópticas reduzidas ao mínimo; Indução electromagnética, ruído e comunicações cruzadas extremamente baixos; Disponibilidade de se ter cabos capazes de cobrirem grandes distâncias e muito leves; Baixos custo de instalação e manutenção. Apesar dos avanços tecnológicos, deve-se realçar que presentemente o memso comprimento de cabo em cobre custa menos de uma fibra óptica. Para além disso, os sistemas de ligação (conectores) e o equipamento necessário para instalar os cabos de cobre é ainda muito mais barato do que o necessário para instalar os cabos de fibras ópticas. Como exemplo das potencialidades da fibra óptica, evidenciamos o facto de poderem ser transmitidos cerca de bits por segundo ao longo de uma fibra óptica, mais que suficiente para transportar entre dezenas a centenas de milhares de chamadas telefónicas. A luz mantém-se confinada ao núcleo pelo facto do material da bainha ter um índice de refracção menor (a capacidade que o material tem de desviar/encurvar um feixe de luz) ) do que o núcleo. Como sensores, as fibras ópticas são essencialmente utilizadas em instrumentação como sensores ópticos Constituição e classificação de fibras ópticas Fibras ópticas são condutores flexíveis, constituídos de material vítreo ou plástico, em que no seu interior existem duas camadas concêntricas, designadas de núcleo e bainha, rodeadas ou não de uma blindagem. Figura 10.1a: Constituintes de um cabo de fibra óptica Figura 10.1 b: Corte transversal de uma fibra óptica mostrando a distribuição dos seus constituintes 10

11 A bainha é a camada concêntrica que rodeia o núcleo e possui um índice de refracção inferior ao do núcleo. Por núcleo entende-se a parte central da fibra óptica, que transporta a luz e que possui um índice de refracção superior ao do seu invólucro. Em termos de materiais existem os seguintes tipos de fibras: núcleo e bainha de vidros; núcleo e bainha de plástico; núcleo de vidro e bainha de plástico, com ou sem escudo metálico. a) Figura 10.2: Exemplos de cabos de fibras ópticas sem (a) e com escudo metálico (b). b) O invólucro da fibra é muitas vezes de poliuretano, de forma a garantir a flexibilidade e rigidez mecânica necessárias. No caso de se pretender melhorar o isolamento eléctrico e a tensão mecânica do cabo, pode-se colocar entre o núcleo e a bainha uma camada de Kevlar, sob a forma de filamentos enrolados sobre a camada de protecção. Finalmente, para protecção do cabo contra o meio ambiente existe uma camada de protecção de PVC ou poliuretano, precedida de um escudo metálico, para protecção do cabo contra o ruído radiado. Na figura 10.2b) apresentamos um exemplo em que o invólucro é constituído por duas camadas: uma de silicone e a outra de Hyterel extrudido sobre o silicone. Para além disso, entre as 2 camadas de filamentos de Kevlar, insere-se uma barreira, normalmente constituída por um material plástico, metal (normalmente alumínio) ou ambos. Finalmente a camada de PVC assegura a protecção do cabo para ser utilizado ao ar livre. Por índice de refracção entende-se a razão entre a velocidade de propagação em espaço livre e a velocidade de propagação da luz num dado material e é simbolizada por n r. Por exemplo, a velocidade da luz no vácuo é da ordem de m/s, enquanto que na água é de 2, m/s. Nestas condições, o índice de refracção da água é de 1,33. Se em vez de água tivéssemos um vidro, em que a velocidade de propagação da luz é de m/s. Neste caso o índice de refracção vale 1,50. 11

12 No caso de fibras ópticas, o núcleo normalmente tem índices de refracção entre 1,55 e 1,60. Para além dos materiais que as constituem, as fibras ópticas são também classificadas com base no valor do índice de refracção do núcleo e o número de modos de propagação da luz. Figura 10.3: Esquemático da propagação da luz pelo interior de uma fibra óptica, onde se nota o efeito espelho a que a luz, em determinadas condições, está sujeoita. Em termos de índice de refracção, as fibras classificam-se em: índice de degrau, graduais ou de modo singular. Para os dois primeiros casos o índice de refracção da bainha é superior ao núcleo e o núcleo transmite ondas luminosas não lineares. Para além disso, as fibras poderão também funcionar em modo múltiplo, onde o parâmetro mais importante é o ângulo de aceitação pela fibra de luz. Este ângulo é designado de ângulo de aceitação ou crítico. Por ângulo crítico, entende-se o ângulo de incidência do feixe luminoso, acima do qual o feixe é de novo reflectido para o núcleo (angulo a partir do qual ocorrem reflexões internas totais). Isto é, por ângulo crítico entende-se o ângulo de incidência que a luz faz com a interface, entre um meio mais denso e outro menos denso, a partir do qual toda a luz é reflectida através da interface. Por ângulo de aceitação θ entende-se metade do ângulo do cone dentro do qual a luz incidente é totalmente reflectida internamente pelo núcleo da fibra. É igual a arcsinna. Por abertura numérica de uma fibra (NA) entende-se o valor do seno do ângulo de aceitação: NA=sin θ Problema Determine o ângulo de aceitação para o modo singular de uma fibra óptica com uma abertura numérica de 0,096. Resolução θ=arcsin(na)=5,5º Modos de funcionamento de uma fibra óptica Como já se disse, o principio de funcionamento consiste na propagação de um feixe de luz pelo núcleo da fibra óptica, onde o feixe sofre um conjunto de reflexões internas, que confinam a 12

13 luz no seu interior (similarmente ao que acontece com um espelho, mas agora na forma tubular e espelhado na sua parte interior). Este confinamento deve-se ao facto da bainha da fibra possuir um índice de refracção menor, o que obriga os raios de luz a voltarem para o interior do núcleo, quando estes atingem a bainha, na interface núcleo/bainha (linhas a vermelho), com um ângulo entre o ângulo de aceitação e o ângulo crítico da fibra. Por outro lado, um raio de luz que exceda o ângulo crítico, escapa-se da fibra (linha a amarelo) Figura 10.4: Propagação de feixes de luz numa fibra óptica. A vermelho representa-se a propagação de raios de luz com um ângulo inferior ao anulo crítico e a amarelo o caso da perda de propagação de um raio de luz com um angulo superior ao ângulo crítico. A fibra óptica funciona como um guia de onda da luz, que é introduzida num extremo e guiada até ao outro extremo, com o mínimo de perdas. A fonte de luz podem ser LED ou lasers. Normalmente a fonte de luz é pulsada e o receptor converte esses impulsos em sinais digitais [combinações de uns (estado alto) e zeros (estado baixo)]. As perdas de luz na fibra são essencialmente devidas à dispersão e difusão da luz no interior do cabo. Assim, quanto mais rápidas forem as flutuações na fonte de luz, maior será o risco de dispersão do feixe. Neste caso, é necessário colocar ao longo da fibra componentes capazes de reporem a intensidade do feixe luminoso, designados de repetidores. a) b) Figura 10.5: exemplificação da propagação de um feixe de luz ao longo de uma fibra óptica, utilizando como fonte um LED (a) ou um laser pulsado (b) 13

14 Em termos de modo de funcionamento, existem basicamente 3 modos fundamentais: modo singular, multimodo e fibras ópticas plásticas (POF). Ao modo estão associadas as diferentes trajectórias que a luz pode ter no núcleo, satisfazendo as equações de Maxwell e as condições fronteiras, no que concerne á distribuição de energia. a) Cabo de modo singular Um cabo de modo consiste numa fibra óptica de vidro com um diâmetro típico entre 8,3 e 10 µm, que só tem um modo de transmissão. Estas fibras propagam luz tipicamente nos comprimentos de onda de 1310 ou 1550 nm. Neste modo, a banda a largura de banda admissível é superior à de uma fibra multimodo, mas requer que a fonte luminosa tenha uma largura de faixa espectral muito estreita (inferior a 20/10 nm). Este modo é também conhecido como sendo fibra óptica de mono-modo, guia de onda óptico de modo singular ou fibra unimodo. Nestas fibras, a variação do índice de refracção entre o núcleo e a bainha varia menos do que no caso da fibra multimodo. A fibra de óptica de modo singular proporciona uma razão de transmissão superior, cobrindo distâncias cerca de 50 vezes superior à devida às fibras multimodo. Tal está associado ao facto do núcleo das fibras singulares ser muito menor do que o das fibras multimodo e de se utilizar luz de um único comprimento de onda, que virtualmente elimina qualquer distorção devida à sobreposição de impulsos de luz e proporcionando uma muito baixa atenuação e uma elevada velocidade de transmissão de dados. Contudo, estas fibras são mais dispendiosas do que as fibras multimodo. a) b) Figura 10.6:Fibra óptica de modo singular (a) e Percurso da luz numa fibra óptica de modo singular (b). As fibras de modo singular são preferencialmente utilizadas em sistemas de comunicação telefónicos e em televisão por cabo. b) Cabo multimodo e cabo POF O cabo multimodo é feito de fibras de vidro com diâmetros na faixa dos 50 a 100 µm. Os diâmetros típicos são de 50, 62,5 e 100 µm. Devido a este elevado diâmetro, à raios de luz que têm um percurso linear e outros fazem um percurso em zig-zag, sofrendo múltiplas reflexões. Estes percursos alternativos promovem o agrupamento de diferentes raios de luz, designados de modos, que chegam separadamente ao receptor. O impulso, definido como 14

15 agregador de diferentes modos, começa por se espraiar/dispersar ao longo da sua trajectória, perdendo a sua forma bem definida inicial. A necessidade de deixar espaços entre impulsos, de forma a impedir a sua sobreposição, limita a largura de banda a largura de banda e a quantidade de informação que o cabo pode transportar. Tal acontece para cabos com comprimentos superiores a 914,4 metros (3000 pés), onde os percursos múltiplos da luz podem ocasionar distorção do sinal no receptor, resultando numa transmissão deficiente e incompleta de dados. Para curtas distâncias, as fibras multimodo proporcionam larguras de banda e velocidades de transmissão elevadas, contudo, inferiores a menor às conseguidas com os cabos de modo singular. Estes cabos normalmente funcionam com comprimentos de luz à volta dos 850 ou 1300 nm. Em termos de aplicação, são muito utilizadas em endoscopia médica (muito curtas distâncias). O cabo baseado em fibras ópticas de plástico (POF) pretende apresentar um desempenho similar ao cabo multimodo, mas com custos de cabo muito inferiores. Figura 10.6: Percurso da luz numa fibra óptica de multimodo, onde se nota o percurso em zig-zag. c) Fibras multimodo de índice gradual Existem também fibras multimodo de índice gradual. Estas fibras contém um núcleo em que o índice de refracção diminui do centro em direcção à bainha. O elevado índice de refracção no centro do núcleo faz com que os raios de luz próximos do centro do eixo da fibra se desloquem mais lentamente do que aqueles próximos da interface com a bainha. Para além disso, em vez de fazerem um percurso em zig-zag, o feixe próximo do eixo, curva-se de forma elíptica, devido ao índice de refracção gradual, reduzindo assim a distancia que o raio se pode propagar. A redução de percurso e a elevada velocidade dos raios na periferia do núcleo, fazem com que a luz das diferentes trajectórias chegue praticamente ao mesmo tempo ao receptor. Como resultado, tal faz com que os impulsos de luz sejam menos dispersos e portanto, permite a utilização de cabos mais longos do que no caso do cabo multimodo. Figura 10.7: Percurso da luz numa fibra óptica de multimodo, onde se nota o percurso encurvado elíptico Desenho básico de um cabo de Fibras Ópticas e terminais de ligação Os dois tipos de desenho básico das fibras ópticas são: cabos de tubos folgados e cabos de tubos apertados. Os primeiros são cabos contendo normalmente até 12 fibras por tubo buffer, 15

16 com um máximo de fibras por cabo de 200 fibras. Os cabos de tubos folgados pode conter fibras todas revestidas a dieléctrico ou com blindagem. O desenho do tubo modular do buffer (cabo intermédio) permite a interrupção fácil de grupos de fibras em pontos intermédios do cabo, sem interferir com outros tubos buffer. O seu desenho também permite uma fácil identificação e gestão das fibras no sistema. Figura 10.8a: Cabo de buffer folgado Figura 10. 8b: Cabo de buffer apertado As fibras singulares de cabo intermédio apertado são usadas na forma de rabo de cavalo, remendos e para estabelecer ou interromper a ligação de um circuito optoelectrónico transmissor ou receptor ou outro tipo de dispositivo activo. Neste caso, o material do cabo intermédio está em contacto directo com a fibra. Este tipo de cabo é utilizado em jumpers, em terminais de equipamento e para ligação de vários dispositivos a uma dada rede. Nas fibras ópticas de cabo folgado normalmente as fibras são coloridas (código), de forma a poder destrinçar as diferentes fibras e existe um gel que impede a penetração de humidade. O tubo intermédio (buffer) está encalhada de um dieléctrico ou uma membrana central de aço, que serve como elemento anti-torção. O núcleo do cabo tipicamente usa fio aramado como membro primário para lhe dar a rigidez necessária. O invólucro de poliuretano ou polietileno é extrudido sobre o núcleo ou sobre uma armadura, nos casos do cabo possuir uma blindagem. Figura 10. 9a) Secção transversal de um cabo folgado Figura 10.9b: Secção transversal de um cabo com tubo intermédio apertado e com fio aramado, para lhe dar rigidez. Em termos de conectores/ligadores das fibras ópticas, estes são de diferente tipo, função da aplicação do cabo. 16

17 Figura 10.10: Componentes utilizados na ligação de terminais a cabos de fibras ópticas. No processo de ligação deve-se ter em contas: a abertura lateral no tubo para se chegar às fibras e se promover a ligação das fibras aos terminais pretendidos, usando-se para isso um cilindro fino por onde a fibra passa (ferrule), e que também serve para promover o alinhamento mecânico da fibra. A ferrula é normalmente de material metálico, cerâmico ou plástico, e possui um diâmetro ligeiramente superior ao da fibra ( nos terminais FC a ferrula é flutuante, de forma a proporcionar um bom isolamento mecânico). O corpo do terminal de ligação (connector body) contém a ferrula. È normalmente feito de material metálico ou plástico e inclui um ou mais conjunto de peças, necessárias para prender e manter a fibra numa posição fixa. O cabo é então prezo ao corpo do terminal, tornando todo esta parte numa estrutura mecânica rígida. Finalmente, tem-se o tipo de acoplamento (macho ou fêmea, ou simplesmente ligação mecânica fixa, sem possibilidade de ligar ou desligar o terminal do sistema em questão (transmissor, receptor ou outro dispositivo activo qualquer). Para as ligações entre fibras a forma mais normal é utilizar terminais de ligação movível. Os terminais iniciais das fibras ópticas eram do tipo epoxy polida. Este tipo de terminal ainda representa um grande segmento das aplicações conhecidas e existe em várias formas, incluindo: ST, SC, FC, LC, D4, SMA, MU, and MTRJ. Este tipo de terminal tem como vantagens este tipo de terminal tem: 1. É muito robusto, podendo suportar ambientes bastante agressivos e tensões mecânicas, quando comparado com outros tipos de terminais. 2. Tempo de instalação é de cerca de 25 minutos (o tempo que demora a fazer a cura da epoxy). Em termos de séries industriais, é possível terem-se tempos de cerca de 5-6 minutos por terminal. O recurso a epoxy com curas mais rápidas, como por exemplo, epoxy anaeróbia, podem reduzir os tempos de instalação, contudo este tipo de cura nem sempre é o mais adequado para alguns tipos de terminais. 3. Fáceis de instalar. Estes terminais de ligação embora sejam fáceis de instalar, requerem que o mesmo seja efectuado por alguém devidamente treinado. 4. Custos. Este tipo de terminal é normalmente cerca de 30 a 50% maqis barato que outros tipos de terminais conhecidos. Outros terminais são de uma epoxy pré-carregada ou de uma epoxy não polida. No primeiro caso reduz-se o nível de exigência do técnico que os irá instalar, mas não do tempo e 17

18 equipamento necessário à sua instalação, enquanto que para o segundo caso reduz-se quer o nível de formação técnica do instalador, quer o tempo de instalação. Neste tipo de configuração existem os terminais ST, SC e FC. As vantagens deste tipo de terminais são: 1. Não necessita da INJECÇÃO DA EPOXY; 2. Não existem terminais esfoliados, devido a um sobre enchimento da epoxy; 3. Baixos tempos de instalação. 4. Custo de instalação moderados. Finalmente, poderão ser de um outro material que não epoxy polida. Este tipo de terminais são fáceis de montar (normalmente faz-se uma ligação mecânica do terminal ao cabo, usando para o efeito equipamento de cravagem apropriado) e demoram muito pouco tempo a montar. Tal faz com que os instaladores não tenham de ter uma formação específica e os custos de consumíveis associados é muito diminuta. Este tipo de terminais existe nas versões ST, SC, FC, LC e MTRJ. Na tabela que se segue mostramos os diferentes terminais de ligação de fibras ópticas existentes. Tabela 10.1 Diferentes tipos de ligações de terminais de fibras ópticas Para a instalação de um terminal de uma fibra óptica deve-se proceder do modo que a seguir se indica: (a) cortar o cabo com mais cerca de 2,5 cm do que o comprimento desejado; (b) com cuidado, desnude o cabo do seu invólucro sem atingir as fibras; (c) Corte as partes 18

19 desnudadas e remova o revestimento das fibras. Esta remoção poderá ser efectuada ensopando a fibra em diluente por cerca de dois minutos, seguido de limpeza com um pano de algodão ou por descarnamento mecânico; (d) limpar com álcool isopropilico a ponta, com ajuda de um pano de algodão; (e) colocar o tipo de terminal pretendido e com a ferramenta apropriada, promover a sua ligação/ancoragem mecânica (ver os diferentes processos que se descreveram anteriormente, com ou sem recurso a epoxy); (f) preparar a face da fibra de forma a que este tem um bom acabamento. Tal consegue-se por clivagem, seguida de polimento, de forma a eliminar eventuais defeitos que possam aí existir. Terminal de um fibra óptica com defeitos e depois de clivada A clivagem envolve o corte da fibra e a sua adequação ao alvéolo (ferrula) onde a fibra entra. Tal consegue-se usando uma lâmina de barbear. O polimento faz-se usando materiais abrasivos apropriados como pó de polimento do terminal de uma fibra óptica sílica. Tomam-se todos estes cuidados devido ao baixo valor dos sinais que se propagam no fibra e portando, deve-se reduzir ao máximo as perdas de sinal, essencialmente devidas ao acoplamento. Como precaução, nunca se deve limpar um terminal de uma fibra óptica que esteja a transportar luz. Níveis de potência tão baixos quanto 15 dbm ou 32 mw, podem provocar uma explosão do material limpo, pelo simples contacto desta energia com o terminal, provocada quer por que o material de limpeza usado é comburente (combustão instantânea com álcool) ou por que existe absorção de excesso de energia concentrada pelo terminal Utilização de fibras ópticas como sensores. As fibras ópticas podem ser utilizadas como sensores locais ou remotos. Em sensores ópticos remotos, as fibras ópticas são utilizadas para transportar a luz para um dado dispositivo que responde a um estímulo luminoso. Quando se utiliza a própria fibra óptica como sensor, o sinal luminoso que se propaga nesta é influenciado pelo meio, que pode provocar variações 19

20 mensuráveis do próprio sinal. Neste caso, o sinal a propagar-se pode ser sensível a diferentes grandezas físicas, como a seguir se dão alguns exemplos Fibra óptica utilizada como sensor de temperatura Neste caso, o sensor é constituído por duas superfícies reflectoras, correctamente espaçadas (sensor Fabry-Perot), em que a separação entre elas é determinada por um tubo ao qual as placas e as fibras ópticas (duas) se encontram ligadas. Quando a temperatura varia o tubo expande se ou contrai-se, fazendo com que o espaçamento entre as placas varie. Esta variação faz com que as franjas do sinal óptico (o resultado das múltiplas reflexões no seu interior) se desloque, de uma quantidade proporcional à variação de temperatura. Figura 10.11: Esquema de medida da temperatura por fibra óptica, mostrando o transdutor e sistema de recepção e tratamento de sinal. Figura 10.12a: Percentagem de luz reflexa em função do comprimento de onda da luz reflectida pela cavidade de Fabry-Perot. 20

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