Odas (EE) 5 Fibras ópticas 5. Itrodução O grade iteresse a comuicação por fibras ópticas surgiu em 960 com o aparecimeto do laser, que permitiu uma fote óptica coerete. Como as frequêcias ópticas se ecotram a ordem dos 5 0 4 Hz, o laser dispõe de uma capacidade de iformação teórica que excede a dos sistemas de micro-odas por um factor de 0 5, ou seja, aproximadamete 0 milhões de caais de televisão. Cotudo, o ar ão se mostrou um bom meio de trasmissão para a tecologia óptica, como para as micro-odas, devido às limitações que esse caal o ar impõe por causa da chuva, da eve ou das poeiras que iviabilizam um sistema óptico que seja rápido e barato. Já as fibras ópticas forecem um caal muito mais fiável e versátil. Há um pequeo seão: é que para que tal suceda é ecessário que o vidro empregue seja extremamete puro, isto é, ão pode coter um elevado úmero de impurezas, pois tal itroduz uma ateuação elevada o sial. De facto, com a purificação do material empregue, reduziram-se de tal forma as perdas uma fibra óptica até ao poto em que se toraram possíveis os sistemas de comuicação ópticos. O desevolvimeto e aplicação dos sistemas de fibra óptica cresceu da combiação da tecologia de semicodutores, que forecem as fotes de luz e os fotodetectores ecessários, e a tecologia de guias-de-oda ópticas. O resultado foi o estabelecimeto de um circuito com várias vatages sobre os sistemas de cobre, tais como: Baixa perda a trasmissão e grade largura de bada: as fibras ópticas têm perdas de trasmissão meores e larguras de bada maiores que os fios de cobre, o que sigifica que os sistemas de cabo de fibras ópticas podem percorrer grades distâcias, dimiuido o úmero de fios e o úmero de repetidores ecessários para estes domíios; esta redução de equipameto e de compoetes dimiui o custo do sistema e a sua complexidade; Tamaho e peso reduzidos: o baixo peso e as reduzidas dimesões (espessura de um cabelo) das fibras oferecem uma clara vatagem face aos pesados, e espaçosos cabos de fios as codutas de grades cidades desamete populosas ou em sistemas motados os telhados; esta questão também é importate os aviões, os satélites e os avios, ode cabos pequeos e leves são claramete vatajosos, e em aplicações militares, em que são ecessárias grades quatidades de cabos; Imuidade à iterferêcia: um aspecto particularmete importate das fibras ópticas diz respeito à sua atureza dieléctrica; esta característica permite guiasde-oda ópticas imues às iterferêcias electromagéticas (EMI), tais como os picos de fios trasportadores de sial e os relâmpagos; também assegura liberdade quato aos efeitos dos impulsos electromagéticos (EMP), com particular iteresse as aplicações militares; Isolameto eléctrico: como as fibras ópticas são costruídas em vidro, que é um isolate eléctrico, ão é ecessário preocupar-se com aéis de terra, crosstalk de fibra para fibra e os problemas das iterfaces dos equipametos 005 Filipe Satos Moreira 96
Odas (EE) são simplificadas; também as tora particularmete atractivas em meios de risco, pois as fibras ão origiam arcos em faíscas; Seguraça do sial: ao usar uma fibra óptica, o grau de seguraça de dados é grade, pois o sial óptico está bem cofiado detro da guia-de-oda (com as evetuais emaações a serem absorvidas por um revestimeto opaco da fibra), o que tora as fibras atractivas em aplicações em que a seguraça da iformação seja importate, como em redes bacárias, de computadores ou de sistemas militares, por exemplo; Abudâcia de matéria-prima: a pricipal matéria-prima é o vidro que é feito a partir da areia, que é abudate e barato; o pricipal factor de ecarecimeto da fibra é o processo de purificação ecessário para obter vidro muito puro a partir da areia. As primeiras aplicações dos sistemas de trasmissão de fibra óptica foram para as trocas de lihas telefóicas; actualmete usam-se RDIS (voz. fax, comuicação de dados, serviços de difusão de serviços áudio e vídeo). As taxas de trasmissão vão desde os,7 Gbps (as trocas telefóicas) até aos 0 Gbps (para RDIS de bada larga). A detecção coerete oferece melhorias sigificativas a sesibilidade dos receptores e a selectividade do comprimeto de oda sobre a detecção directa e permite o uso de equalização electróica para compesação dos efeitos de dispersão dos impulsos ópticos a fibra. As aplicações icluem LANs, aéis de assiates e distribuição de televisão. 5. Noção de circuito óptico Um circuito óptico tem, basicamete, os seguites elemetos: TRANSMISSOR Etrada Circuito Codicioador Fote de luz REPETIDOR Receptor óptico ACOPLADOR OU SEPARADOR ÓPTICO Fibra óptica Circuito electróico Trasmissor óptico Sial lumioso Sial eléctrico RECEPTOR Amplificador óptico Foto detector Recuperador Sial Saída 005 Filipe Satos Moreira 97
Odas (EE) Os elemetos chave do circuito são o trasmissor, que cosiste uma fote de luz e os circuitos apropriados para coverter o sial eléctrico um sial lumioso apropriado, um cabo que ofereça protecção mecâica e ambietal às fibras ópticas cotidas o seu iterior e um receptor que cosista um fotodetector, amplificador e um recuperador (restaurador) do sial eléctrico. Podem existir vários compoetes adicioais, tais como ligadores (acopladores), divisores de sial, agrupadores de sial e repetidores. O cabo de fibra óptica é um dos elemetos mais importates um circuito óptico, pois, para além de proteger as fibras de vidro durate a istalação e ao logo da utilização, podem coter fios de cobre para alimetar os repetidores que são ecessários para amplificar e restaurar o sial periodicamete, quado os circuitos cobrem grades distâcias. O cabo cotém, ormalmete, várias fibras cilídricas, da espessura de um cabelo, cada uma sedo um caal de comuicação idepedete. Tal como os cabos de cobre, a istalação dos cabos de fibra óptica pode ser aérea, em codutas, submersa ou eterrada o solo. Como resultado das limitações de fabrico e/ou istalação, os comprimetos de cabos idividuais podem ir de algumas ceteas de metros até ceteas de quilómetros; as questões práticas, como o peso do cabo ou a largura da coduta, por exemplo, determiam o comprimeto que terá uma úica secção de cabo: as distâcias mais curtas tedem a ser usadas em codutas, equato que as distâcias maiores são para uso em aplicações aéreas ou eterradas o solo. A liha de trasmissão de loga distâcia completa é formada pela divisão ou coexão destas secções idividuais de cabo. Uma das características pricipais das fibras ópticas é o facto da sua ateuação ser em fução do comprimeto de oda utilizado, ou, por outras palavras, a mesma fibra apresetar diferetes ateuações para comprimetos de oda diferetes, como se pode ver a seguir:.460.455 SiO.450.445.440 0.6 0.8..4.6 λ (µm) Iicialmete, a tecologia fazia uso exclusivo da bada correspodete com comprimetos de oda dos 800 aos 900 m, pois as fibras feitas a altura apresetavam uma curva com ateuação míima esta região; esta região é muitas vezes referida por ª jaela. Ao aperfeiçoar o fabrico das fibras, torou-se possível a existêcia de fibras com ateuações muito baixas a faixa dos 00 aos 600 m, sedo esta largura de bada espectral ormalmete desigada de região de comprimetos de oda grades. Nesta região defiem-se duas jaelas, estado a ª jaela cetrada à volta dos 330 m e a 3ª jaela à volta dos 550 m. Os ivestigadores cotiuam a estudar ovos tipos de materiais para as fibras, com baixas ateuações a bada dos 3 a 5 µm. 005 Filipe Satos Moreira 98
Odas (EE) Após se istalar o cabo, laça-se um sial com uma determiada potêcia óptica a partir de uma fote de luz que seja compatível, em termos de dimesões, com o úcleo da fibra. Os LEDs e os lasers são fotes de luz adequadas, pois a sua saída lumiosa pode ser modulada rapidamete alterado a sua correte. Após se itroduzir a luz a fibra, o sial óptico vai se ateuado e distorcedo com o aumeto da distâcia devidos aos efeitos de difusão, absorção e dispersão. No extremo de recepção o sial óptico ateuado e distorcido que sai da fibra vai ser detectado por um fotodetector. A cocepção do receptor é mais complexa, pois tem de amplificar e refazer o sial degradado pelo receptor. Por vezes, o sial óptico percorre uma determiada distâcia e tora-se ecessário à liha amplificar e refazer o sial. Um repetidor óptico cosiste um receptor e um trasmissor colocado em ambos os extremos. A secção do receptor detecta o sial óptico e coverte-o um sial eléctrico, que é amplificado, refeito e eviado para a etrada eléctrica da secção de trasmissão; esta irá coverter este sial eléctrico um sial óptico e evia-o pela guia-de-oda da fibra óptica. 5.3 Tipos de fibras ópticas Uma fibra óptica trata-se de uma guia-de-oda de luz em vidro, que irá propagar a luz uma direcção paralela ao seu eixo, costituída por duas camadas sobrepostas: o úcleo (a camada itera) e a baiha (a camada extera), como se pode ver a figura seguite: NÚCLEO BAINHA A fução do úcleo é trasportar a iformação em forma de luz. A baiha tem como fução reduzir a dispersão, melhorar a força (resistêcia) mecâica, impedir o úcleo de absorver cotamiadores que poderiam etrar em cotacto com o úcleo; por estas razoes, a baiha tora-se útil, mas ão é idispesável. Os materiais costituites da fibra óptica apresetam ídices de refracção diferetes, isto é, o ídice de refracção do úcleo,, é diferete do ídice de refracção da baiha,. Normalmete, tem-se <, em que i c ηi = =, η0 = 0π Ω v η pi 0 Os materiais costituites do úcleo e da baiha são materiais dieléctricos, de modo a se aproveitar a baixa ateuação o seu seio. A propagação da luz detro de uma guia-de-oda pode ser descrita em termos de um cojuto de odas electromagéticas chamadas modos. Cada modo cosiste um padrão de lihas dos campos eléctrico e magético que se repete ao logo da fibra em itervalos 005 Filipe Satos Moreira 99
Odas (EE) iguais ao comprimeto de oda. A propagação ao logo da fibra só é possível a um determiado úmero discreto de modos; estes modos são as odas electromagéticas que satisfazem a equação de oda a fibra e as codições de froteira as superfícies das guias-de-oda. Normalmete, a substâcia utiliza-se para fabricar a fibra óptica é o dióxido de silício; a variação do ídice de refracção é feita através da adição de substâcias dopates. A seguir apresetam-se a variação do ídice de refracção como fução das substâcias dopates:.48.46.44 F GeO 5 P O 5 B O 3 Cocetração das substâcias dopates (mol%) Como se pode verificar a adição de GeO ou de P O 5 aumeta o ídice de refracção, equato que o aumeto de B O 3 ou de F o dimiui. Como o úcleo tem de ter um ídice de refracção meor, exemplos das composições da fibra seriam:. Núcleo de GeO -SiO ; baiha de SiO. Núcleo de P O 5 -SiO ; baiha de SiO 3. Núcleo de SiO ; baiha de B O 3 -SiO 4. Núcleo de SiO ; baiha de F-SiO A otação utilizada idica que, o caso de GeO -SiO, se trata de um vidro (dióxido de silício) dopado com GeO. As variações a composição do material de úcleo dão origem aos dois tipos de fibras mais comus, mostrados a figura seguite : Retirada de [7] 005 Filipe Satos Moreira 00
Odas (EE) No primeiro caso o ídice de refracção do úcleo é uiforme e ocorre uma mudaça brusca a froteira com a baiha; este tipo de fibra desiga-se step-idex (ídice em degrau); o último caso, o ídice de refracção do úcleo é feito de forma a variar com a distâcia radial ao eixo da fibra: são as chamadas fibras de graded-idex, ou (ídice gradual). Ambos os tipos de fibras podem divididas as classes de moo-modo (só permitem a propagação de um modo) ou de multi-modo (permitem a propagação de vários modos). As fibras multi-modo apresetam várias vatages quado comparadas com as moomodo, omeadamete é mais fácil icidir a potêcia óptica a fibra devido ao seu maior raio e como tal podem ser usados LEDs, em vez de lasers, como fotes ópticas (o que é vatajoso devido às características dos LEDs face aos lasers). A pricipal desvatagem é a ocorrêcia de dispersão iter-modal: quado se icide um impulso óptico a fibra, a potêcia óptica distribui-se por todos os modos; cada modo viaja pela fibra com velocidades ligeiramete diferetes, o que sigifica que os modos que viajam a fibra chegam em istates ligeiramete diferetes ao extremo de recepção da fibra, o que faz com que os impulsos se espalhem o tempo à medida que viajam pela fibra. Este efeito, a dispersão iter-modal, pode ser ateuado usado um perfil de ídice gradual o úcleo, o que permite às fibras de ídice gradual terem uma maior largura de bada (com maior capacidade de trasmissão) do que as fibras de ídice em degrau. 5.4 Propagação as fibras ópticas A propagação é feita o iterior do úcleo, através de múltiplas reflexões a froteira de separação etre o úcleo e a baiha. Na figura seguite pode costatar-se o mecaismo de propagação, visto logitudialmete. 005 Filipe Satos Moreira 0
Odas (EE) EIXO a) Estrutura Cilídrica b) Secção Trasversal Baiha < θ θ θ eixo θ θ Baiha < c) corte logitudial d) perfil do ídice de refracção Os raios irão propagar-se ao logo da fibra e irão esbarrar a froteira etre os dieléctricos, o úcleo e a baiha, seguido uma direcção paralela ao eixo da fibra. Cotudo, o percurso que esses raios vão realmete percorrer, depedem da icidêcia iicial. Assim, existem vários tipos de raios: Os raios meridioais, que são os raios cotidos o plao que cotém o eixo da fibra; Os raios torcidos, que são todos os outros. Uma ilustração destes tipos de raios ecotra-se a seguir (ode só se ecotra represetado o úcleo): θ θ θ θ 3 θ 3 θ 4 θ 6 θ 5 4 θ 7 θ θ θ 8 5 eixo da fibra 4 raio torcido raio meridioal 6 3 5 Os pricípios de propagação são, uma perspectiva geométrica, os mecaismos descritos pela lei de Sell e ecotram-se apresetados a seguir: Ver secção 4.5.3. 005 Filipe Satos Moreira 0
Odas (EE) = seθ seθ θ raio refractado meio ( ) raio icidete θ θ raio reflectido meio ( ) O valor do âgulo crítico acotece para θ = c arcse Daqui se pode cocluir que há reflexão total se θ > θ, equato que há reflexão parcial θ > θ. O âgulo de icidêcia máximo que permita a peetração/radiação a/da fibra de raios lumiosos, sem perdas por refracção, chama-se âgulo de aceitação, θ a, como se pode costatar a figura seguite: Coe de aceitação θ a raio totalmete refractado a baiha Baiha ( ) θ i θ t θ θ se(θ i )= se(θ t ) θ t < θ i, > θ θ eixo Âgulo de aceitação: θ a Baiha AR: 0 = O valor do âgulo de aceitação, θ a, é dado por θ a = arcse = arcse ( Se 0 = ) 0 em que 0 é o ídice de refracção do meio em que a fibra está iserida (ormalmete é o ar). Defie-se abertura umérica de uma fibra óptica (AN) como AN = θ a 0 se = Pode-se exprimir este valor como = 005 Filipe Satos Moreira 03
Odas (EE) ( se << ) AN ( se << ) A abertura umérica é extremamete útil, uma vez que serve para quatificar a maior ou meor capacidade de captar e trasmitir luz. Defie-se frequêcia ormalizada, V, como V π a = λ, a = raio do úcleo da fibra V π a λ A frequêcia ormalizada serve para determiar os diferetes modos de propagação a fibra. 5.4. Modos de trasmissão Cada modo de trasmissão é um padrão de lihas do campo electromagético que se repete ao logo da fibra em itervalos iguais ao comprimeto de oda. Assim, os tipos de modos de propagação do poto de vista da teoria da propagação são: MODOS ABREVIATURA CARACTERÍSTICAS Trasversal Electromagético TEM E e H à direcção de propagação Trasversal Eléctrico TE E à direcção de propagação Trasversal Magético TM H à direcção de propagação Híbridos HE ou EH E e H com compoetes axiais ( à direcção de propagação) Os modos presetes uma fibra multi-modo com degrau de ídice apresetam o seguite aspecto: 005 Filipe Satos Moreira 04
Odas (EE) 30 Modos presetes a fibra 5 0 5 0 5 HE HE TE 0 EM TM 0 HE TE 0 TM 0 HE EH HE 3 4 6 8 0 v = π a λ Modo (de propagação) fudametal A seguir pode ser observado o padrão do campo eléctrico, uma vista perpedicular à secção da fibra ao logo do seu eixo, para modos de ordem baixa. A ordem de um modo é igual ao úmero de zeros do campo ao logo da guia e está igualmete relacioada com o âgulo que o raio correspodete a este modo faz com o plao da guia-de-oda. Como se pode observar o campo eléctrico dos modos guiados ão estão completamete restrigidos à parte correspodete ao dieléctrico cetral (o úcleo), isto é, ão vai a zero a iterface úcleo-baiha, mas prologam-se parcialmete a baiha, e quato maior for a ordem dos modos, maior é a peetração do campo a baiha, ao passo que para ordes mais baixas se tem uma cocetração dos raios o regia à volta do eixo da fibra. Retirada de [7]. 005 Filipe Satos Moreira 05
Odas (EE) 5.5 Degradação do sial em fibras ópticas A ateuação do sial (também cohecida como perda da fibra ou perda do sial) é uma das propriedades mais importates de uma fibra óptica, pois determia, em grade parte, a separação máxima sem repetidores etre um trasmissor e um receptor. Como os repetidores são caros de fabricar, istalar e mater o grau de ateuação uma fibra tem uma grade ifluêcia o custo do sistema. A distorção do sial também é bastate importate, pois os mecaismos de dispersão fazem com que os impulsos se alarguem à medida que viajam pela fibra; se os impulsos viajarem suficietemete loge, podem sobrepor-se a impulsos vizihos, criado, cosequetemete, erros a saída do receptor, pelo que limitam a capacidade de trasporte de iformação. Os mecaismos básicos de ateuação são a absorção, a difusão e as perdas de radiação da eergia óptica. A absorção está relacioada com o material da fibra, equato que a dispersão está associada com o material da fibra e com as imperfeições estruturais o úcleo da fibra óptica. A ateuação devido aos efeitos de radiação tem origem as perturbações (microscópicas e macroscópicas) da geometria da fibra. 5.5. Ateuação A ateuação do sial defie-se como a razão etre a potêcia óptica de saída, P o, de uma fibra de comprimeto L, e a potêcia de etrada, P i. O ideal, obviamete, seria P o = P i. Esta razão é fução do comprimeto de oda, λ, como se pode ver a figura seguite: db/km 00 50 ª jaela 0 0 5 850 600 800 000 00 400 600 λ (m) Normalmete exprime-se a ateuação (ou factor de ateuação) em decibel por quilometro (db / km) e represeta-se por α, de tal modo que α = 0 P i log db / Km L P o 005 Filipe Satos Moreira 06
Odas (EE) 5.5. Absorção Os três pricipais mecaismos de absorção são: Absorção devido aos defeitos atómicos a composição do vidro, que podem ser a falta de moléculas, alta desidade assimétrica de grupos de átomos ou defeitos de oxigéio a estrutura do vidro; este tipo de perdas é ormalmete desprezável, quado comparadas com as outras, torado-se sigificativa quado se expõe a fibra a altos íveis de radiação; Absorção extríseca do material, que se deve à preseça de impurezas o vidro que resultam de metais de trasição como o ferro, o crómio, o cobalto e o cobre e dos iões da água; correspode ao pricipal tipo de perdas por absorção; Absorção itríseca do material que é determiada pela maior ou meor trasparêcia do material costituite: idealmete deveria ter-se dióxido de silício (SiO ) em estado puro; resulta das badas de absorção electróica a região ultravioleta e das badas de vibração atómicas a região dos ifravermelhos; a absorção ocorre quado um fotão iterage com um electrão a bada de valêcia e excita-o para um ível de eergia mais elevado; este tipo de perdas estabelece o míimo de perdas por absorção de um determiado material. 5.5.3 Dispersão As perdas por dispersão surgem devido às variações microscópicas a desidade do material, como flutuações de composição, ão-homogeeidades estruturais ou defeitos durate o processo de fabrico. 5.5.4 Perdas devido à curvatura da fibra As perdas de radiação ocorrem sempre que uma fibra óptica sofre uma curvatura com um raio de curvatura fiito, isto é, sempre que ão está em liha recta, ou se dobra a fibra. Assim, as fibras podem ficar sujeitas a dois tipos de dobras: as dobras macroscópicas, que têm um raio grade, comparado com o diâmetro da fibra (por exemplo, quado um cabo cotora um cato), e as dobras microscópicas, que podem ocorrer quado se icluem as fibras um cabo. Comece-se pelas dobras macroscópicas, ou simplesmete, dobras. Se esta for ligeira, a perda é extremamete pequea, sedo mesmo desprezável; só a partir de um determiado raio de curvatura (quado este dimiui), etão as perdas aumetam expoecialmete até um raio crítico, em que a perda se tora observável. Se, a partir deste poto, se dimiuir um pouco o raio de curvatura, as perdas toram-se extremamete grades. Para se perceber o que se passa, atete-se à seguite figura: 005 Filipe Satos Moreira 07
Odas (EE) A A > A dissipação de E eergia o lado extero da baiha a A a: diâmetro do úcleo R: raio de curvatura da fibra Daqui pode-se ver que qualquer modo a froteira do úcleo possui uma cauda de um campo evaescete a baiha, que decresce expoecialmete em, fução da distâcia ao úcleo; como esta cauda do campo se move jutamete com o campo o úcleo, etão parte da eergia do modo em propagação viaja pela baiha da fibra. Quado se dobra a fibra, a cauda do campo a parte mais distate do cetro da curvatura tem de se mover mais depressa de modo a acompahar o campo o úcleo; a uma determiada distâcia crítica, x c, do cetro da fibra, a cauda do campo teria de se mover mais depressa que a velocidade da luz, para acompahar o campo o úcleo; como isto ão é possível, a eergia a cauda do campo para lá de x c vai radiar eergia. A quatidade de radiação óptica de uma fibra dobrada irá depeder do valor do campo em x c e do raio da curvatura, R. Um outro tipo de perdas de radiação em guias-de-oda ópticas resulta do emparelhameto de modos causado pelas micro-dobras aleatórias a fibra. As microdobras são flutuações repetitivas de escala pequea o raio de curvatura do eixo da fibra, como ilustrado a figura seguite: Micro-dobras Núcleo Baiha Ateuação de modos de ordem elevada Acoplameto de eergia de modos de ordem elevada As micro-dobras são causadas por ão-uiformidades o processo de fabrico da fibra ou por pressões laterais ão-uiformes criadas durate a criação do cabo de fibras, isto é, quado se iserem as várias fibras detro do cabo óptico, sedo este efeito deomiado de perdas de empacotameto. O aumeto da ateuação resulta das micro-dobras porque a 005 Filipe Satos Moreira 08
Odas (EE) curvatura da fibra origia emparelhameto repetitivo de eergia etre os modos guiados e modos de fugas, ou ão-guiados, a fibra. Um modo de miimizar estas perdas cosiste em colocar uma cobertura a fibra à pressão; quado forem aplicadas forças exteriores a esta cofiguração, a cobertura irá deformar-se, mas a fibra irá mater-se praticamete em liha recta. 5.5.5 Perdas úcleo-baiha Quado se medirem as perdas por ateuação uma fibra, todas as perdas, quer por dissipação, quer por dispersão, irão ocorrer em simultâeo. Como o úcleo e a baiha têm ídices de refracção diferetes e, cosequetemete, composições diferetes, o úcleo e a baiha têm ormalmete coeficietes de ateuação diferetes, deomiados α e α, respectivamete. Se a ifluêcia do emparelhameto modal for igorada, a perda para um modo de ordem (v, m) uma guia-de-oda com ídice em degrau é P α = + úcleo α α Ptot P P baiha tot No caso de uma fibra com ídice gradual a situação é mais complexa, pois quer os coeficietes de ateuação, quer a potecia dos modos tedem a vir em fução da coordeada radial; assim, a uma distâcia r do eixo do úcleo, a perda é α () r = α + ( α α ) ( 0) ( r) ( 0) em que α e α são os coeficietes de ateuação do úcleo e da baiha, respectivamete e os são os ídices de refracção. A perda de um determiado modo é dada por α = + 0 α () r p() r + 0 p () r r dr r dr em que p(r) é a desidade de potêcia do modo à distâcia r (a seguir ecotra-se ilustrado um exemplo). Normalmete, verifica-se que a perda aumeta com o aumeto do úmero do modo. 005 Filipe Satos Moreira 09
Odas (EE) p(r) 5.6 Distorção do sial À medida que viaja a fibra, o sial óptico tora-se cada vez mais distorcido, como cosequêcia da dispersão itra-modal e os efeitos de atraso iter-modal. Estes efeitos podem ser explicados examiado o comportameto das velocidades de grupo dos modos guiados, em que a velocidade de grupo é a velocidade à qual a eergia de um determiado modo viaja através da fibra. Como cosequêcia, haverá um alargameto dos impulsos ópticos, causado iterferêcia iter-simbólica (ISI). A dispersão itra-modal ocorre em fibras moo-modo e cosiste o alargameto dos impulsos ópticos que ocorrem o modo de propagação, sedo o resultado do facto da velocidade de grupo ser fução do comprimeto de oda. Como a dispersão itra-modal depede do comprimeto de oda, o seu efeito a distorção do sial aumeta com a largura espectral da fote óptica (esta largura espectral cosiste a bada de comprimetos de oda a qual a fote de luz emite luz). As duas pricipais causas da distorção itra-modal são:. Dispersão do material que se deve ao facto das variações do ídice de refracção do úcleo com o comprimeto de oda = (λ), também desigada por dispersão cromática (uma vez que λ VERDE λ AZUL λ VERMELHO, por exemplo), ou seja, a velocidade de propagação depede de λ: v p = v p (λ); é Muito severo em lasers pouco precisos que saltitem o comprimeto de oda um itervalo defiido ão ulo;. Dispersão a guia-de-oda: uma fibra óptica moo-modo retém, tipicamete, 80% da luz o úcleo; cotudo os restates 0% a baiha são susceptíveis de se propagarem mais rápido, uma vez que <, logo v > v, havedo compoetes que são recebidas mais rapidamete do que outras, o que implica um alargameto dos impulsos ópticos. O outro factor que origia um espalhameto dos impulsos ópticos é o atraso de itermodal, presete em fibras multi-modo, que resulta do facto de cada modo ter um valor de velocidade de grupo diferete a uma úica frequêcia. Este efeito pode ser muito severo se os lasers fucioarem um comprimeto de oda que ão é fixo, mas sim uma gama de comprimetos de oda, quado há vários modos em diferetes comprimetos de oda. Destes três tipos de distorção, a dispersão de guia-de-oda pode ser, ormalmete, igorada em fibras multi-modo, mas pode ser extremamete sigificativo em fibras moo-modo. O efeito total destes três mecaismos, a prática, é raramete observado 005 Filipe Satos Moreira 0
Odas (EE) pois tedem a ser misturados com outros factores, como a existêcia de perfis do ídice de refracção ão ideais, as codições de ijecção de potêcia óptica, ateuação dos modos ão uiforme e mistura dos modos a fibra e os divisores, bem como pelas variações estatísticas destes efeitos ao logo da fibra. Como as empresas de telecomuicações utilizam fibras moo-modo como o pricipal meio de trasmissão óptica, e por causa da importâcia das fibras moo-modo as aplicações localizadas de microodas velozes, vai ser dada alguma ateção a soluções que permitam evitar a dispersão itra-modal as fibras ópticas (dado que esse é o pricipal factor limitador da distâcia e da velocidade de operação das fibras ópticas); para tal, fabricam-se fibras ópticas com vários perfis do ídice de refracção do úcleo. A dispersão básica do material é difícil de alterar sigificativamete, mas é possível alterar a dispersão a guia-de-oda passado-se de um simples perfil de ídice em degrau para perfis de ídice mais complexos. As fibras mais populares os sistemas de telecomuicações são as fibras de ídice quase em degrau, que são optimizadas para operar os 330 m; estas fibras optimizadas aos 330 m, podem ser de baiha adaptada matched claddig ou depressed claddig, cujo perfil se represeta a seguir: a = 4.5 µ m a = 0.35 % a) Matched Claddig (baiha adaptada) a = 4. µ m a = 0.5 % = 0. % b) Depressed Claddig No caso da alíea a), existe um ídice de refracção uiforme ao logo da baiha, ao passo que o caso da alíea b), a região mais da baiha próxima do úcleo tem um ídice de refracção mais baixo que a região exterior. Equato que a dispersão do material depede uicamete da composição, já a dispersão da guia-de-oda é uma fução da distâcia do raio do úcleo, da difereça etre os ídices de refracção e da forma do perfil do ídice de refracção. Assim sedo, a dispersão guia-de-oda pode variar drasticamete com os parâmetros de cocepção da fibra. Mudado esta dispersão para comprimetos de oda superiores e assumido um valor costate para a dispersão do material, a adição destes dois tipos de dispersão pode ser ula aos 550 m. As guias-de-oda resultates são deomiadas de fibras com dispersão deslocada (shifted-dispersio fibers). Dois exemplos desses tipos de fibras são demostrados a seguir: 005 Filipe Satos Moreira
Odas (EE) a =. µ m a =.0 % a) Ídice em degrau =.0 % = 0. % a = 3. µ m a = 4 µ m a 3 = 5.5 µ m b) Triagular with agular rig (triagular com um ael agular) A curva de dispersão total resultate é a seguite: Dispersão [ps/(m km)] 0 300 m optimized 0 Dispersio flatteed 0-0 Dispersio-shifted -0 330 550 λ (m) Uma alterativa cosiste em reduzir a dispersão espalhado o míimo de dispersão por uma maior gama. Esta abordagem é cohecida como dispersio flateig. Este tipo de fibras é mais complexo de coceber do que as fibras com dispersão mudada, pois a dispersão tem de ser cosiderada ao logo de uma grade gama de comprimetos de oda. Cotudo, elas oferecem características desejáveis uma gama de comprimetos de oda muito superior, pelo que podem ser utilizadas para multiplexagem por divisão de comprimetos de oda. A seguir represetam-se algus perfis do ídice de refracção característicos: 005 Filipe Satos Moreira
Odas (EE) a = 3 µ m a = 4.7 µ m = 0.76 % = 0.45 % a a) Double-clad or W profile (dupla baiha ou perfil em W) a a = 3.4 µ m = 0.76 % 3 4 = 0.45 % a a a 3 b) Quadruple-clad profile (perfil de baiha quadruplo) a 4 5.7 Lasers, LEDs e fotodetectores 5.7. Fotes lumiosas de sial As pricipais fotes de luz usadas as comuicações por fibra óptica são díodos semicodutores laser com estrutura de hetero-jução (heterojuctio), também referidos como Díodos Laser de Ijecção (Ijectio Laser Diodes), ILDs, (ou, aqui, simplesmete lasers) e os díodos de emissão lumiosa (Light-Emittig Diodes), LEDs. Uma heterojução cosiste em dois materiais semicodutores adjacetes com diferetes eergias de bada de passagem (bad-gap). Estes dispositivos são bos para sistemas de trasmissão por fibras pois apresetam uma potêcia de saída adequada para uma grade gama de aplicações, sedo a sua potêcia óptica de saída directamete modulada variado a correte de etrada do dispositivo, têm uma grade eficiêcia a as suas dimesões são compatíveis com as das fibras ópticas. Para sistemas de comuicação óptica que requeiram taxas de iformação aproximadamete iferiores a 00 a 00 Mbits / s, jutamete com potêcias ópticas a ordem das dezeas de micro-watt, os LEDs são ormalmete a melhor escolha para fote de luz. Como ão ecessitam de circuitos de estabilização óptica em térmica, requerem circuitos meos complicados e podem ser fabricados mais baratos. 005 Filipe Satos Moreira 3
Odas (EE) Para ser útil em aplicações de trasmissão por fibra, um LED deve ter uma radiâcia de saída elevada, um tempo de resposta de emissão curto e uma grade eficiêcia quâtica. A sua radiâcia, ou brilho, é uma medida em watt da potêcia óptica radiada um sólido um âgulo por uidade de área da superfície emissora. As altas radiâcias são ecessárias para itroduzir íveis de eergia óptica suficietemete elevados uma fibra. O tempo de resposta de emissão é o atraso etre a aplicação de um impulso de correte e a correspodete emissão óptica; este factor limita a largura de bada com que a fote pode ser directamete modulada variado a correte ijectada. A eficiêcia quâtica está relacioada com a fracção de pares electrão-buraco que se recombiam. Existem lasers que variam, em dimesões, desde o tamaho de um grão de sal até ocupar uma sala iteira. O meio de um laser pode um gás, um liquido, um cristal isolador ou um semicodutor. Nos sistemas de trasmissão óptica, os lasers usados são quase sempre semicodutores, apresetado, como quase todos, uma coerêcia espacial e temporal a radiação emitida, isto é, a radiação de saída é altamete moocromática e o raio de luz é bastate direccioal. Comparado os dois tipos de fotes ópticas, pode dizer-se que as vatages do laser quato ao LED são: Um tempo de resposta mais curto, pelo que são possíveis maiores taxas de iformação; Uma largura espectral de saída mais estreita, o que implica uma meor distorção do sial por dispersão; Um ível de potêcia óptica muito superior, o que permite comuicações a maiores distâcias. Como desvatages, tem-se: A sua costrução é mais complicada, pricipalmete por causa da ecessidade de restrigir a sua correte uma cavidade muito pequea; O ível de saída óptica depede bastate da temperatura, o que aumeta a complexidade do circuito de trasmissão; se se preteder usar um laser uma situação em que haja uma grade variação da temperatura, deverá ser usado um mecaismo de arrefecimeto para mater o laser a uma temperatura costate ou, etão, um circuito com um sesor de um limiar que ajuste a correte do laser com as variações de temperatura; Uma maior susceptibilidade à degradação das facetas do material, o que reduz o tempo de vida do dispositivo. 5.7. Fotodetectores Os semicodutores pi e os fotodíodos de avalache são os pricipais dispositivos para detectar os fotões os circuitos de fibra óptica devido à compatibilidade de tamaho com as fibras, as suas altas sesibilidades os comprimetos de oda pretedidos e os seus tempos de resposta curtos. 005 Filipe Satos Moreira 4
Odas (EE) Quado a luz possuido eergia de fotões maiores ou iguais à eergia da bada de passagem do material semicodutor icide um fotodetector, os fotões podem desistir da sua eergia e excitar os electrões da bada de valêcia para a bada de codução. Este processo gera pares electrão-buraco que são cohecidos como foto-portadores. Quado se aplica uma tesão iversa o fotodetector, o campo eléctrico resultate faz com os portadores se separem, o que dá origem a um fluxo de correte um circuito extero, deomiada de foto-correte. A sesibilidade de um fotodetector, e o receptor que lhe está associado, é determiada essecialmete pelos ruídos do fotodetector resultates da atureza estatística do processo de coversão fotão-electrão e os ruídos térmicos o circuito de amplificação. As pricipais corretes de ruído de um fotodetector, são: Correte de ruído quâtico que surge da atureza estatística da produção e colecção de foto-electrões; Correte escura que surge dos electrões e/ou buracos que são gerados termicamete a jução p do fotodíodo; Correte egra de superfície (ou correte de fuga) que depede dos defeitos da superfície, da limpeza, da tesão iversa e da área de superfície. De forma a reproduzir fielmete o sial de etrada, o fotodíodo deve ser capaz de seguir de uma forma precisa as variações do seu sial, o que depede do seu coeficiete de absorção o comprimeto de oda pretedido, a largura da camada de depleção do fotodíodo e das várias capacitâcias e resistêcias do fotodíodo e do restate circuito de recepção. 005 Filipe Satos Moreira 5