Fibras Ópticas Medição da atenuação de uma fibra óptica multimodo

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1 Fibras Ópticas Medição da atenuação de uma fibra óptica multimodo Equipamento: * Mesa óptica * Fibra multimodo, 50/125 µm * Laser de He-Ne * Microscópio * Multímetro óptico * Cortador de fibra óptica * Alicate de "descascagem" da fibra óptica * Acetona e "kleenex" para limpeza da fibra óptica * Posicionadores e suportes para a fibra * Objectiva microscópica 10x * Suporte de objectiva Objectivos: * Determinação da atenuação de uma fibra óptica multimodo * Técnica de corte e observação microscópica das extremidades da fibra óptica * Técnicas de alinhamento do laser, da objectiva e da fibra: medições de potência óptica e alinhamento da fibra no plano focal da lente por reflexão de Fresnel * Verificar em que medida as condições de injecção de luz na fibra afectam as medições, e como gerar uma distribuição de modos estável IMPORTANTE - Evite tocar a parte da fibra nua (sem protecção de camada plástica). - Dadas as reduzidas dimensões da fibra óptica e a sua relativa rigidez mecânica, tenha o maior cuidado no seu manuseamento, pois um ligeiro descuido pode fazer com que espete um pedaço de fibra em qualquer parte do corpo - LEMBRE-SE QUE O VIDRO É UMA DAS POUCAS SUBSTÂNCIAS QUE O NOSSO ORGANISMO TEM MUITA DIFICULDADE EM REJEITAR. - Evite olhar directamente para o feixe laser - ESTE É INVISÍVEL E PROVOCA 1 DANOS IRREPARÁVEIS NA RETINA DO OLHO HUMANO. Atenuação da fibra óptica 1

2 Introdução: Quando a luz é transmitida através de um meio absorvente, como é o caso da fibra óptica, a irradiância cai exponencialmente com a distância percorrida; tal traduz-se matematicamente pela expressão: I(Z)=I(0). 10 -(α.z/10) onde z, o comprimento da fibra, é dado em quilómetros e α, o coeficiente de atenuação, em decibéis por quilómetro (db/km). A técnica usada neste projecto para medição do coeficiente de atenuação é designada de cutback method": luz injectada num troço longo de fibra óptica é medida no extremo distante (1) usando um medidor de potência óptica, com resposta linear; depois, após corte de um pequeno troço de fibra na sua parte inicial, é novamente efectuada uma leitura da potência óptica no extremo livre deste pequeno troço (2). A figura 1 mostra uma ilustração esquemática do método de medida empregue. Figura 1 Esquemático do procedimento experimental da técnica cutback para determinação da atenuação da fibra óptica. A transmissão através da fibra expressa-se como T = Pf Pi onde se substituiu P i (potência inicial) e P f (potência final) por I(0) e I(z), respectivamente. Utilizando logaritmos para expressar a perda em décibeis, tem-se P f L(dB)= - 10 log ( ) Pi O coeficiente de atenuação, α, em db/km é obtido dividindo a perda, L, pelo comprimento da fibra, z. Assim, α é dado por 1 P f α (db/km)= ( ) {- 10 log( )} z Pi Atenuação da fibra óptica 2

3 Problemas práticos O método de "cutback" é relativamente preciso para fibras de perdas apreciáveis, com α da ordem de 5 a 100 db/km, onde a resolução e a precisão do sistema de medida não é factor significativo. Outro factor de incerteza na perda medida depende das condições em que a luz é injectada na fibra. Condições que resultem numa sobre-injecção (excitação de modos de ordem elevada) ou sub-injecção (modos de ordem inferior) da luz na fibra alteram significativamente os resultados obtidos. A solução a este problema é tentar gerar o que se designa por distribuição de modos estável tão rapidamente quanto possível após a injecção de luz na fibra. Tal distribuição estável é conseguido, mesmo num curto troço de fibra óptica, usando um misturador de modos.é o facto de o misturador de modos permitir gerar uma distribuição de modos estável mesmo num curto troço de fibra que viabiliza a técnica de "cutback" para medição da atenuação na fibra. Procedimento experimental: I - Preparação das extremidades da fibra óptica: observação ao microscópio A preparação cuidada das extremidades da fibra óptica é essencial para a obtenção de um bom acoplamento da radiação que se pretende propagar ao longo da sua extensão. O cortador de fibra óptica a utilizar baseia-se na técnica designada de "scribe-and-break", a qual tira partido das características de clivagem do vidro: com a pequena lâmina de diamante incorporada é efectuado um corte na fibra em tensão; de seguida, aplica-se uma tensão em ambos os lados do corte, afastando-os bruscamente um do outro; assim, conseguese a clivagem da fibra, propagando-se a ruptura feita pelo diamante, perpendicularmente ao longo do eixo da mesma. Se o corte foi bem efectuado, a fibra óptica está apta a ser utilizada. i. Desenrolar aproximadamente 2 metros de fibra óptica multimodo 50/125 µm. ii. Remover cerca de 4 cm da protecção plástica exterior usando o alicate especial para o efeito. Este processo de descasque da fibra requer cuidado para não danificar a fibra. Limpe cuidadosamente com acetona e "kleenex" a extremidade da fibra nua exposta. iii. Com o cortador de fibra proceder ao corte (clivagem) da fibra. iv. Verificar a qualidade do corte efectuado, observando a extremidade da fibra. O corte deve ter a aparência de uma superfície plana, sem defeitos. Todavia, pequenas irregularidades junto da sua periferia são aceitáveis (figura 1a). A parte central, mais iluminada, é o núcleo da fibra óptica; o restante, é a sua baínha. Se o corte não for satisfatório deverá repeti-lo. Atenuação da fibra óptica 3

4 Figura 1 - a) aspecto de um corte aceitável; b) fendas que atinjam o núcleo tomam o corte inaceitável; c) vista lateral de um mau corte - o plano de corte deve ser perpendicular ao eixo da fibra. v. Desenrole alguns centímetros da outra extremidade e prepare igualmente a fibra como indicado anteriormente (corte e observação). II - Determinação da atenuação i. Enrole a extremidade da fibra óptica com cerca de 1 metro no misturador de modos (> 10 voltas), prendendo-a com fita-cola; tenha o cuidado de usar parte do troço de fibra após o acoplador, e posicionar o misturador em local adequado. Esta parte da montagem. envolvendo a injecção de luz na fibra e misturador de modos, deverá permanecer imóvel e inalterada pelo resto da experiência. ii. Montar cuidadosamente a extremidade da fibra no cilindro de suporte, deixando uma protuberância de apenas 1-2 mm de fibra. Colocar o cilindro no posicionador respectivo. iii. Montar a outra extremidade da fibra num suporte; enrosque o adaptador (modelo 2019) no medidor de potência óptica; introduza o cilindro de suporte da fibra no adaptador - aperte o parafuso do adaptador de forma que a radiação de saída da fibra incida sobre a área fotosensível do detector. iv. O uso do acoplador é ilustrado na figura 3. Alinhe o acoplador (sem objectiva) e o laser, de modo que o seu feixe passa ao longo do eixo do acoplador. Monte a objectiva microscópica 10x no acoplador. Coloque o cilindro com a fibra já cortada no outro suporte do acoplador. Alinhe cuidadosamente a fibra de modo a maximizar a luz nela injectada, usando para isso o medidor de potência. Após este procedimento, insira a lâmina de microscópio no percurso do feixe laser (entre a saída do laser e a objectiva do acoplador), para, por reflexão de Fresnel na face da fibra, proceder ao alinhamento final: foque o feixe reflectido por reflexão de Fresnel ajustando a posição longitudinal da fibra, como se ilustra na figura 3; tal é efectuado, rodando o botão de ajuste longitudinal (z) do suporte da fibra. Quando o feixe reflectido está focado tal significa que a face de entrada da fibra óptica está no plano focal da objectiva microscópica. v. Bloquear a saída do feixe laser; faça a calibração do zero do multímetro óptico actuando na tecla zero do aparelho. vi. Abrir novamente o feixe laser. Medir a potência aceite pela fibra no extremo distante. Tomar nota da distância indicada no rótulo da bobine de fibra utilizada. Atenuação da fibra óptica 4

5 Figura 3 Acoplamento do feixe laser numa fibra óptica usando um acoplador, com objectiva microscópica 10x. vii.corte a fibra óptica cerca de 2 metros após o misturador de modos - assegure-se de indicar no rótulo da bobine qual a quantidade de fibra removida, de modo a possibilitar que outras pessoas usando a mesma bobine possam efectuar medidas precisas. Usando o procedimento descrito na parte I deste guião, corte a fibra com o cortador; verifique a qualidade do corte no microscópio. viii.introduza a extremidade livre da fibra no posicionador e efectue a medição da potência óptica injectada neste curto troço de fibra óptica. ix. Calcule o coeficiente de atenuação, usando a equação especificada na Introdução. Compare o valor assim obtido com o valor especificado para a fibra na parte seguinte deste guião. Existe uma certa discrepância - porque será? Especificações da fibra óptica multimodo GI 50/125 µm utilizada: * Comprimento de onda de operação: λ = 850 nm; * Diâmetro do núcleo: dn= 50 µm; * Diâmetro da bainha: db= 125 µm; * Atenuação: 2.4 db/km (a 850 mn); * Largura de banda: 1069 MHz.km; * Abertura numérica: NA= 0.25; * Comprimento da bobine: 2.2 kms. Referências: * Newport Corporation, "Projects in fiber optics - applications handbook"; * Senior, J.,"OpticalFiberCommunications",2ªedição,Prentice-Hall(1992). Atenuação da fibra óptica 5