1) Estrutura geral da fibra óptica

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Esther Carvalho Conceição
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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA Tecnologia de Fibras Ópticas Prof. Cláudio Kitano Ilha Solteira, julho de ) Estrutura geral da fibra óptica

2 20 m Woman hair * Joseph C. Palais, Fiber Optic Communications, Prentice Hall, 1988.

3 Redução da atenuação óptica no vidro ao longo da história: Atenuação: db/km Causa perda de potência óptica. A energia luminosa é absorvida/ espalhada/ dissipada Entre 1966 e 1979: after 1km 10-0,02

4 Atenuação em meios transparentes: OBS: -30 db = a potência caí a 1 milésimo do seu valor inicial. Variação do índice de refração do vidro (sílica fundida) com o comprimento de onda:

5 Estrutura da fibra óptica: core cladding jacket revestimento fiber head optical fiber cable hole of a needle needle point recipiente com água lanterna luz guiada John Tyndall, 1870

6 Revestimento: Acrilato (proporciona resistência à curvaturas acentuadas) Cladding

7 2) Fibras monomodo e multimodos

8 Degrau Gradual Degrau Multimode (MM) versus singlemode (SM) fiber optic * VECSEL vertical-external-cavity surface-emitting-laser

9 3) Janelas de transmissão

10 Atenuação em função do comprimento de onda: Tecnologia atual da fabricação de vidros (sílica, SiO 2 ). Atenuação:

perda, db/km 6 5 4 3 2 1 a janela ~ 2,5 db/km; 0,85 m 2 a janela ~ 0,5 db/km; 1,3 m pico de absorção OH - 3 a janela ~

11 perda, db/km a janela ~ 2,5 db/km; 0,85 m 2 a janela ~ 0,5 db/km; 1,3 m pico de absorção OH - 3 a janela ~ 0,25 db/km 1,55 m 1 0 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 UV comprimento de onda, m IV 4) Perfis de modos de propagação

Campo evanescente em Fibras Ópticas A reflexão interna, para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, vem acompanhada por uma onda evanescente a fim de satisfazer as condições de contorno

Na verdade, como a fibra óptica tem simetria cilíndrica em torno do eixo de propagação da luz no seu interior, o fenômeno ocorre, mas o campo evanescente na região da casca da fibra óptica deve ser

12 Campo evanescente em Fibras Ópticas A reflexão interna, para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, vem acompanhada por uma onda evanescente a fim de satisfazer as condições de contorno na interface. É natural se esperar que tal tipo de campo também surja durante as sucessivas reflexões no interior da fibra óptica. Na verdade, como a fibra óptica tem simetria cilíndrica em torno do eixo de propagação da luz no seu interior, o fenômeno ocorre, mas o campo evanescente na região da casca da fibra óptica deve ser calculado usando se a teoria de ondas guiadas. Segundo essa teoria, existe mais de uma forma da luz se propagar na fibra, sendo os respectivos campos denominados de modos LP mn. Esses modos são soluções discretas da equação de onda de Helmholtz, e podem ser associados aos diferentes ângulos que os raios em zigue zague formam com o eixo longitudinal. Assim, o modo fundamental LP 01 está associado a um raio com propagação quase colinear com o eixo da fibra. O modo LP 11 está associado a um ângulo de zigue zague um pouco maior, o modo LP 21 a um ângulo ainda maior, e assim por diante. Esses campos exibem uma distribuição de campo ao longo do plano transversal ao eixo da fibra. O modo LP 01 tem amplitude de campo máxima no centro do núcleo, o qual decai radialmente em direção à casca. A fim de satisfazer as condições de contorno na interface núcleo casca, existe um campo evanescente na região de casca. Na figura, este campo está relacionado com um pequeno rabicho do perfil de campo que penetra levemente na casca.

13 O modo LP 01 exibe um único máximo e seu perfil tem o formato semelhante a um sino. Observando a fibra pelo topo, vê se um perfil na forma de círculo (devido a simetria circular). O modo LP 21 exibe dois picos (máximos) e dois vales (mínimos) na direção azimutal, e, pelo menos um máximo na direção radial. Basicamente, a nomenclatura dos modos LP mn é tal que existem m máximos na direção azimutal e pelo menos n máximos na direção radial. Portanto, o modo LP 83 exibe oito máximos e oito mínimos na direção azimutal, e, pelo menos três máximos na direção radial. Quando uma fibra é projetada para acomodar no máximo um modo, o modo fundamental LP 01, ela é chamada de fibra monomodo. Quando é projetada para acomodar mais modos, é denominada de fibra multimodos. O tamanho do rabicho é tanto maior (penetra mais na casca) quanto maior a ordem do modo na fibra. Na Figura estão ilustrados os perfis (vista lateral) dos modos LP 01, LP 11 e LP 02. O tamanho do rabicho é menor para o modo LP 01, cresce para o modo LP 11 e é ainda maior para o modo LP 02. Segundo a teoria, um modo é tanto mais confinado no interior do núcleo quanto menor for o comprimento da sua calda evanescente; isto significa que ele está mais preso dentro do núcleo.

16 dispersion curves for LP modes Modos Linearmente (LP) polarizados

17 Intensity pattern LP modes: Optical intensity pattern projected onto a plane screen

18 LP modes: Optical intensity pattern projected onto a plane screen LP modes: Optical intensity pattern projected onto a plane screen

19 LP modes: Optical intensity pattern projected onto a plane screen

20 Modos LP degenerados (modos ortogonais)

21 5) Curvaturas em fibras ópticas Curvaturas:

22 Se houver algum tipo de perturbação na fibra, o primeiro modo a perder energia para o exterior é o modo de calda mais alongada, ou seja, o modo de ordem mais alta. Modos de ordens superiores são menos confinados que o fundamental; o modo fundamental é o modo mais confinado. Se houver algum tipo de perturbação na fibra, o primeiro modo a perder energia para o exterior é o modo de calda mais alongada, ou seja, o modo de ordem mais alta. Modos de ordens superiores são menos confinados que o fundamental; o modo fundamental é o modo mais confinado. Uma curvatura (a perturbação) na fibra pode fazer com um raio que se propaga em zigue zague (modo superior) saia da condição de reflexão interna total. Próximo á região de curvatura, o ângulo de incidência pode ficar menor que o ângulo crítico. Ocorre refração do raio, o qual é transmitido para o exterior da fibra; haverá perda de potência para o exterior.

Uma explicação alternativa, é que a curvatura na fibra encurta o rabicho de um lado (interno) e o alonga do

Se, no lado em que o rabicho se alonga, este se aprofunda tanto que atinge o exterior da casca, então, haverá

Na fotografia, observa se a irradiação de luz para fora da fibra devido a uma curvatura, principalmente, dos

23 Uma explicação alternativa, é que a curvatura na fibra encurta o rabicho de um lado (interno) e o alonga do outro (externo). Se, no lado em que o rabicho se alonga, este se aprofunda tanto que atinge o exterior da casca, então, haverá fuga de energia para fora da fibra. Uma explicação alternativa, é que a curvatura na fibra encurta o rabicho de um lado (interno) e o alonga do outro (externo). Se, no lado em que o rabicho se alonga, este se aprofunda tanto que atinge o exterior da casca, então, haverá fuga de energia para fora da fibra. Na fotografia, observa se a irradiação de luz para fora da fibra devido a uma curvatura, principalmente, dos modos de ordem superior

24 6) Acopladores direcionais

26 Processo de fabricação: 7) Dispersão na fibra óptica

27 a. Dispersão Modal Ocorre em fibras multimodos; Cada modo se propaga com diferentes velocidades longitudinais; Não ocorre em fibras monomodo.

28 b. Dispersão Cromática (Material) É resultado da largura de linha finita da fonte óptica; Laser DFB tem largura de linha entre 40 e 50 MHz; Dependência do índice de refração com o comprimento de onda; A velocidade em cada comprimento de onda é diferente;

c. Dispersão de Guia de Onda É importante em

velocidade; É função do tamanho do núcleo,

29 c. Dispersão de Guia de Onda É importante em guia monomodo; Uma parte do campo guiado encontra-se na casca (evanescente); A casca tem menor índice de refração: maior velocidade; É função do tamanho do núcleo, geometria, comprimento de onda e largura de linha da fonte.

30 8) Compensação da dispersão Para fibra monomodo operando em 1300 nm. Total

31 Para fibra monomodo operando em 1550 nm. Dispersão elevada 1300 nm Dispersão nula 1550 nm Deslocar a curva de dispersão para a direita; Dopar a fibra com (GeO 2 ); Atuar na dispersão de guia de onda alterando-se o perfil de índice de refração do núcleo; Triangular dispersion shift (DSF Dispersion Shift Fiber) Quadrupole-clad dispersion flattened (NZDSF Non-Zero Dispersion Shift Fiber)

32 Para 1300 nm Matchedcladding Depressedcladding Triangular DSF Para 1550 nm Quadrupole DSF NZDSF baixo perfil de dispersão entre 1300 e nm Aplicações em DWDM *DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

33 9) Emendas em fibras ópticas Máquinas antigas

34 Problemas e dificuldades: Máquinas recentes

35 Máquinas recentes Processo de remoção do revestimento: Mergulhar a fibra em diclorometano ou acetona; Usar um alicate descascador de revestimento.

36 Clivador de fibra óptica:

37 Emenda (splice) por fusão:

38 LID Local Light Injection and Detection: LID Local Light Injection and Detection:

39 L-PAS = Lens-Profile Alignment System: LID Local Light Injection and Detection:

40 Problemas com limpeza (pré-fusion): Alinhamento automático: Pré-fusão: Fusão:

41 10) Métodos de fabricação Método do duplo cadinho: Double Crucible Method

42 Método do deposição de vapor químico (CVD = Chemical Vapor Deposition): Deposição externa

43 Método do deposição de vapor axial (VAD = Vapor Axial Deposition): Deposição externa

44 Método do deposição interna (MCVD = Modified Chemical Vapor Deposition):

45 Fiber optic preforms: Puxamento:

46 Fiber optic preforms: Fiber optic preforms:

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