Atenuações em Fibras Ópticas

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1 Atenuações em Fibras Ópticas A atenuação da luz (Perca de potência ótica) ao passar pela fibra óptica é devida a várias razões, tais como: absorção do material no núcleo ou na casca, espalhamento devido à heterogeneidade em índice de refração, curvas na fibra, espalhamento Rayleigh, etc. A atenuação ou perda na transmissão pode ser definida como a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao se propagar através de um meio de transmissão. A fórmula mais usual de atenuação de um sinal é a seguinte: a=10 log(ps/pe) [db] Onde: Pe - Potência do sinal na entrada do circuito. Ps - Potência de sinal na saída do circuito. Em fibras ópticas a atenuação varia em função do comprimento de onda da luz transmitida e é a somatória de várias perdas ligadas ao material empregado na fabricação da fibra e à estrutura do guia de onda por ela (fibra ótica) formada. Existem quatro mecanismos responsáveis por perdas de potência em fibras óticas: absorção, espalhamento linear, espalhamento não linear, e deformações mecânicas. Absorção A absorção é um mecanismo de perda pela qual parte da energia transmitida na fibra é dissipada em forma de calor. Esta absorção é provocada principalmente por impurezas presentes na fibra, entre as quais as mais importantes são os íons metálicos, como cromo, ferro, cobre, manganês e o íon hidroxila (OH-). A diminuição da absorção é essencialmente um problema de purificação do dielétrico (vidro). Absorção material A absorção material é o mecanismo de atenuação que exprime a dissipação de parte da energia luminosa transmitida numa fibra óptica em forma de calor. A absorção material pode ser devido a fatores intrínsecos e extrínsecos à fibra, em relação ao processo de fabricação. Absorção devido a fatores intrínsecos Esta absorção pode ser subdividida em duas outras, conforme descrito a seguir:

2 Absorção do ultravioleta: Íons de oxigênio são responsáveis por esta absorção que exprime a atenuação, a qual cresce exponencialmente na direção do ultravioleta. Absorção do infravermelho: A vibração e rotação dos átomos do vidro em torno de sua posição de equilíbrio são responsáveis pela absorção que exprime a atenuação, a qual cresce exponencialmente em direção do infravermelho. Absorção devido a fatores extrínsecos 1) Íons metálicos: A sílica, normalmente empregada na fabricação de fibras ópticas, contém íons metálicos (Mn, Ni, Cr, U., Co, Fe e Cu), os quais propiciam o fenômeno da absorção. Esta contaminação pode causar picos de atenuação, exigindo uma grande purificação dos materiais que compõem a estrutura da fibra óptica. A tabela a seguir mostra, como ilustração, a concentração de alguns íons em partes por bilhão (ppb) que causam uma atenuação de 1 db/km no seu pico de atenuação. Concentração de ions metálicos para perdas de 1dB/km Tabela 5.1 Concentração de Ions Metálicos para perdas de 1dB/km. Íon Pico de Concentração atenuação (ppb) Cu ,40 Cu ,45 Fe ,40 Íons de hidroxila OH-: Entre os principais contaminantes da fibra, que aumentam a sua atenuação, está o íon OH-, o qual é incorporado ao núcleo quando da sua fabricação. Este íon, muito difícil de ser eliminado, possui um pico de absorção fundamental próximo a 2,7µm e em torno de 0,95µm, 1,24µm e 1,38µm na faixa de baixa atenuação da fibra. Figura Perdas por absorção de alguns íons Absorção por Deformações Mecânicas Além dos mecanismos de perda ótica acima comentadas existem ainda as perdas devido às deformações das fibras óticas. As mais importantes são as

3 macrocurvaturas e microcurvaturas, as quais ocorrem ao longo do eixo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma, durante as fases de cabeamento e instalação do cabo óptico. As macrocurvaturas, quando da ordem de alguns milímetros, provocam perdas localizadas (pontuais) de luz. Isto é interpretado pela óptica geométrica como sendo raios refratados para a casca, que devido à curvatura, apresentam ângulos de incidência na interface núcleo-casca menores que o ângulo crítico, não apresentando mais condições de reflexão total. As microcurvaturas ocorrem quando a fibra é submetida a uma pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma superfície levemente rugosa. Essas microcurvaturas "removem" energia luminosa do núcleo, devido aos modos de elevada ordem tornarem-se não guiados (Vide figura 19). Figura Perdas por microcurvaturas A figura 5.20 apresenta um esquema de um raio luminoso que é refratado na curvatura da fibra. F= Figura Raio luminoso se propagando em uma curva ótica com grande curvatura Espalhamento linear O espalhamento linear é um fenômeno de batimento, onde parte da potência transmitida por um modo de onda guiado na fibra ótica é transferida para um modo não guiado, porém de mesma freqüência, que é fortemente atenuado na casca da fibra. Este espalhamento é provocado por periodicidade das características mecânicas da fibra. Chamamos este fenômeno de linear, porque se dá sem alteração de freqüência. Espalhamento não linear

4 O espalhamento não linear ocorre quando a intensidade dos campos elétricos e/ou magnéticos na fibra é muito alta. De forma análoga ao caso anterior, ele corresponde a uma transferência de potência entre modos guiados e não guiados, mas, com alterações de freqüência. Este tipo de espalhamento se caracteriza por um limiar de potência, abaixo do qual o espalhamento não linear não ocorre. Este limiar, por sua vez, está vinculado às dimensões do núcleo, sendo que, quanto menor o diâmetro do núcleo, menor será este limiar de potência. Evita-se, portanto, este tipo de espalhamento escolhendo-se o diâmetro do núcleo cuidadosamente, assim como o nível de potência a ser operado na fibra ótica. Portanto, o espalhamento ou, espalhamento do material, é o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos modos em várias direções. Este mecanismo de atenuação pode ser dividido em espalhamento Rayleigh, espalhamento Mie, espalhamento Raman estimulado e espalhamento Brillouin estimulado. Espalhamento Rayleiqh É o espalhamento mais importante e está sempre presente devido à existência de não homogeneidades microscópicas de dimensões menores do que o comprimento de onda, tais como flutuações de composição, flutuações térmicas, separação de fase, pressão e pequenas bolhas. Estas perturbações têm que ser maiores que o comprimento de onda guiado, para evitar o espalhamento da luz em todas as direções. Acredita-se, que o espalhamento de Rayleigh determina o limite mínimo de atenuação do vidro para comprimentos de onda menores que o início da zona da luz infravermelha. A atenuação que este espalhamento propicia é proporcional a 1/λ 4 e o gráfico da figura 5.21, mostra o seu comportamento em função do comprimento de onda. Figura Perdas por espalhamento Rayleigh Espalhamento Mie

5 Este espalhamento é verificado, quando as imperfeições que causam o espalhamento citado anteriormente forem de dimensões comparáveis com o comprimento de onda guiado, e principalmente quando houver sinuosidade do eixo da fibra. Espalhamentos Raman e Brillouin Estimulados Estes espalhamentos são efeitos não lineares, causados quando a intensidade de campo na fibra for muito alta. As perdas de sinal originadas por esses espalhamentos podem ser minimizadas, utilizando-se para a confecção do núcleo da fibra ótica, vidros, que contenham baixo índice de refração, e polarização da luz. Quando existe intensidade de campo ótico muito alta os sinais óticos podem interagir com a estrutura eletrônica da fibra ótica. Esta interação dispersa as radiações óticas. Espalhamento do Guia de Onda É causado por variações do diâmetro do núcleo e/ou variações do perfil de índice de refração ao longo da fibra. Estas variações podem originar uma transferência de potência dos modos guiados pelo núcleo para a casca, e desta forma uma parcela da potência será perdida. Este problema pode ser evitado durante a fabricação da fibra, e a experiência mostra que uma variação de diâmetro máxima, em torno de 1%, assegura um espalhamento desprezível. Atenuação Total Somando-se todos os efeitos de atenuação, teremos a atenuação total na fibra óptica. As curvas características de uma fibra óptica tipo índice gradual (Detalhes mais a frente) é mostrada na figura Figura Curvas típica de atenuações

6 O desenvolvimento dos métodos de fabricação das fibras óticas baixou a atenuação para valores aceitáveis. Foi constatado que para comprimentos de onda de 0,85µm, 1,3µm, e 1,55µm, obtêm-se os menores valores de atenuações e ficou convencionado, então, que estes comprimentos de onda acima especificados, seriam chamados de Janelas para transmissão ótica, ou simplesmente, Janelas.