Fibras Ópticas Medição da abertura numérica de uma fibra óptica multimodo

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1 Fibras Ópticas Medição da abertura numérica 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 remoção do revestimento pléstico de protecção da fibra óptica * Acetona e lenços de papel para limpeza da fibra óptica * Posicionadores e suportes para a fibra * Base de rotação, graduada em intervalos de 1º Objectivos: * Determinação da abertura numérica de uma fibra óptica multimodo * Técnica de corte e observação microscópica das extremidades da fibra óptica * Técnicas de alinhamento do laser e da fibra: medições de potência óptica 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 NÃO REJEITA, PROVOCANDO IRRITAÇÕES NA PELE. - Não deixe pequenos desperdícios de fibra espalhados na mesa. Estes devem ser guardados para mais tarde serem eliminados adequadamente. - Evite olhar directamente para o feixe laser - ESTE É INVISÍVEL E PROVOCA DANOS IRREPARÁVEIS NA RETINA DO OLHO HUMANO. Abertura numérica da fibra óptica 1

2 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 sob tensão; de seguida, aplica-se uma tensão em ambos os lados do corte, afastando-os bruscamente um do outro; assim, consegue-se 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. Desenrole e corte aproximadamente 2 metros de fibra óptica multimodo 50/125 µm. ii. Remova 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 lenços de papel a extremidade da fibra nua assim exposta. iii. Com o cortador de fibra fornecido proceda ao corte (clivagem) da fibra. iv. Verifique a qualidade do corte efectuado, observando a extremidade da fibra ao microscópio. Use, para o efeito, o conector adapatador para fibra nua. 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 a qualidade do corte não for satisfatória deverá voltar a repeti-lo. Figura 1 Observação ao microscópio do corte de uma fibra: 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 decímetros da outra extremedidade e prepare igualmente a fibra como indicado anteriormente (corte e observação ao microscópio) Abertura numérica da fibra óptica 2

3 II - Determinação da abertura numérica: Método I 1. 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; no caso do suporte rotativo, o cilindro deve situar-se no centro de rotação do mesmo (poerquê?). 2. Ajustar a posição do laser de modo que a ponta da fibra permaneça sempre no centro do feixe, qualquer que seja a rotação efectuada (figura 2). Figura 2 Posição da fibra relativamente ao feixe laser incidente. 3. Introduzir, com precaução, a outra extremidade da fibra no adaptador de fibra nua; para tal deve pressionar o botão sinalizado na figura 3. De seguida, usar o material adesivo para fixar correctamente a fibra (além de alinhar a extremidade da fibra com o plano da ferrule, este material serve para limpar a superfície da fibra de pó ou impurezas). Figura 3 Preparação e ajuste da fibra no adaptador de fibra nua. 4. Enroscar, de seguida, o adaptador no conector do multímetro óptico, garantindo o seu alinhamento com o fotodetector. 5. Bloquear a saída do feixe laser. Fazer, de seguida, a calibração do zero do multímetro óptico actuando na tecla zero do aparelho. 6. Abrir o feixe laser. Medir a potência aceite pela fibra em função do ângulo de incidência do feixe. Partindo da posição central fazer rotações em ambos os sentidos, ou seja, considerar ângulos positivos e negativos. 7. Fazer a representação gráfica dos valores experimentais obtidos: potência óptica recebida pelo fotodetector (em Watts) como ordenada, e o seno do ângulo de aceitação medido como abcissa. Abertura numérica da fibra óptica 3

4 8. Medir graficamente a largura da curva obtida nos pontos onde a potência recebida é 5% do máximo de intensidade. A metade deste valor representa o valor experimental da abertura numérica da fibra em teste. 9. Comparar o resultado experimental com o valor referido nas especificações da fibra. II - Determinação da abertura numérica: Método II A parte experimental deste método de medida da abertura numérica deverá, se possível, ser efectuada em semi-escuridão. A abertura numérica (NA) é um parâmetro normalmente associado com um feixe luminoso incidindo sobre a fibra. Todavia, para medir experimentalmente a NA é mais simples investigar as características do feixe saíndo da fibra, o qual dá uma indicação bastante aproximada da abertura numérica da fibra. 1. Ajustar o feixe laser de modo que o máximo possível de potência óptica é injectada na fibra, a qual deverá ser previamente preparada em ambas as extremidades (corte e observação ao microscópio). 2. Pegar na outra extremidade da fibra e introduzi-la, com precaução, num adapatdor de fibra nua. Ter o cuidado de deixar uma protuberância de 1-2 mm de fibra. Inserir o adaptador no posicionador, de modo a garantir a sua fixação. De seguida, projectar o feixe luminoso num alvo com diâmetro mínimo de 5mm. 3. Determinar o diâmetro a do círculo luminoso no alvo, bem como a distância L desde a extremidade da fibra no adaptador até ao alvo (ver figura 4). Figura 4 Montagem para a medição da NA da fibra usando a sua extremidade de saída. 4. Calcular a abertura numérica da fibra NA usando a fórmula: NA = senθ = a a + 4L Qual será o ângulo de aceitação? 6. Repetir o procedimento anterior para pelo menos 4 valores diferentes de L, calculando a respectiva abertura numérica em cada caso. 7. Efectuar a média dos 4 valores da NA assim obtidos, para obter um resultado final mais preciso para a abertura numérica da fibra. 8. Comparar o valor assim obtido com o valor de NA obtido pelo método I. Comente os resultados. Abertura numérica da fibra óptica 4

5 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 baínha: db= 125 µm; * Atenuação: 2.4 db/km (a 850 nm); * Largura de banda: 1069 MHz.km; * Abertura numérica: NA 0.25 ; * Comprimento da bobine: 2 kms. Referências: * Newport Corporation, "Projects in fiber optics - applications handbook"; * Keiser, G., "Optical Fiber Communications", 3 rd edition, McGraw-Hill (2000). Abertura numérica da fibra óptica 5

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