Fibra Óptica

HISTÓRIA DAS FIBRAS ÓPTICAS

1910 - O pesquisador holandês Peter DeBye, desenvolve a teoria para guia de onda óptico.
1930 - Willis Lamp Jr. guiou luz em uma fibra óptica.
1953 - Narinder Singh Kapany desenvolveu as fibras com casca.
1970 - Robert Maurer e um grupo da Corning Glass Words - EUA - a primeira fibra óptica de baixas perdas para telecomunicações, que oferecia uma atenuação máxima de 20 dB/km.
1976 - A Redifussion of London instala o primeiro sistema comercial de fibra óptica para transmitir sinais de televisão para TV a cabo.
1977 - Entra em operação, na cidade de Chicago - Illinois, o primeiro sistema de fibras ópticas do mundo.
1979 - março. Instalado pela NEC, o primeiro cabo de fibras ópticas, para a CETEL interligar as centrais urbanas Bento Ribeiro e Colégio no Rio de Janeiro.
1980 - Corning Glass Company introduz no mercado as fibras monomodo.
1982 - fevereiro, 4 - A TELEPAR transmitiu em Londrina, através de fibra óptica, instalada pela Siemens, imagem padrão de TV. Foi a 2ª experiência no Brasil.
1982 - Entrou em operação no Rio de Janeiro, 1º Experimento de Comunicações Ópticas –
denominado ECO-I, interligando as centrais telefônicas Cidade de Deus (CDS) e Jacarepaguá (JCP), com aproximadamente 3 km.
1984 - agosto - Inaugurada pela ABC Xtal sua fábrica para produção de fibras ópticas com tecnologia do CPqD.
1988 - Implantação pela TELEBRASÍLIA, do primeiro enlace de fibras ópticas monomodo do país, com 24 km interligando as estações Telefônicas Centro e de Taguatinga.
1988 - dezembro, Inaugurado o cabo óptico submarino TAT-8, criado pelos Bell Labs, interligando EUA, Inglaterra e França.
1982 - Entrou em operação no Rio de Janeiro, 1º Experimento de Comunicações Ópticas –
denominado ECO-I, interligando as centrais telefônicas Cidade de Deus (CDS) e Jacarepaguá (JCP), com aproximadamente 3 km.
1993 - A EMBRATEL inaugura 420 km de cabos ópticos interligando o Rio de Janeiro a São Paulo.
1994 - Setembro - ativado o cabo óptico submarino América 1 interligando o Fortaleza à Flórida (EUA).
1994 - novembro, 16 - A EMBRATEL ativa o cabo óptico submarino Unisur, com 1720 km e 15120 canais, partindo de Florianópolis e interligando os países do Mercosul à Rede Nacional de Fibras ópticas da EMBRATEL.
1994 - dezembro - entrou em operação o cabo óptico submarino Columbus II, que se interligou ao sistema Americas 1, na Ilha de St. Thomas. Possui 12300 km e mesma capacidade do Americas 1.

Colaboração de Mário Jorge de Oliveira Tavares
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INTRODUÇÃO

A Fibra Óptica , por sua vez, corresponde ao meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Formada por um núcleo de material dielétrico (em geral, vidro) e por uma casca de material dielétrico (vidro ou plástico) com índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, a fibra óptica propaga a luz por reflexões sucessivas. Esta estrutura básica da fibra óptica, na prática, é envolta por encapsulamentos plásticos de proteção mecânica e ambiental, formando um cabo óptico que pode conter, uma ou mais fibras.
A banda passante de uma fibra óptica é função, além do seu comprimento, da sua geometria e do seu perfil de índices de refração. Existem duas classes principais de fibras ópticas: as monomodo e as multimodo. As fibras ópticas monomodo, de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação (ou, em termos de óptica geométrica, transmitem apenas o raio axial). As fibras multimodo, possuem vários modos de propagação e, de acordo com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao núcleo, classificando-se em: índice degrau e índice gradual. Dentre as fibras multimodo, as com índice gradual apresentam bandas passantes superiores às índice degrau.
A atenuação em fibras ópticas é causada por múltiplas fontes, desde as perdas por absorção, intrínsecas ao material que compõe a fibra, até perdas devidas às imperfeições na sua fabricação. Compostas principalmente por sílica (vidro) e dopantes semicondutores, as fibras ópticas caracterizam-se pela existências de regiões espectrais onde a atenuação é mínima. Essas regiões, conhecidas como janelas de transmissão, situam-se em torno dos seguintes comprimentos de onda: 850nm e 155nm.


VANTAGEM DAS FIBRAS ÓPTICAS

As características especiais das fibras ópticas implicam consideráveis vantagens em relação aos suportes físicos de transmissão convencionais, tais como o par metálico e o cabo coaxial. Mesmo considerando-se o suporte de rádio-frequência em microondas, a transmissão por fibras ópticas oferece condições bastante vantajosas. As poucas desvantagens no uso das fibras óptica podem, em geral, ser considerada transitórias, pois resultam principalmente da relativa imaturidade da tecnologia associada.
As principais características das fibras ópticas, destacando suas vantagens como meio de transmissão, são as seguintes:

a) Banda passante potencialmente enorme
A transmissão em fibras ópticas é realizada em freqüências ópticas portadoras na faixa espectral de 10 elevado a 14 a 10 elevado a 15 Hz(100 a 1000 THz). Isto significa uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo 10.000 vezes superior, por exemplo, à capacidade dos atuais sistemas de microondas que operam com uma banda passante útil de 700 MHz. Além de suportar um aumento significativo do número de canais de voz e/ou de vídeo num mesmo circuito telefônico, essa enorme banda permite novas aplicações impossíveis de serem concebidos anteriormente. Atualmente, já estão disponíveis fibras ópticas comerciais com produtos banda passante versus distâncias superiores a 200 GHz.Km. Isso contrasta significativamente com os suportes convencionais onde, por exemplo, um cabo coaxial apresenta uma banda passante útil máxima em torno de 400 MHz.

b) Perdas de transmissão muito baixas
As fibras ópticas apresentam atualmente perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuações típicas da ordem de 3 a 5 dB/Km para operação na região de 1,55mm. Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de ondas superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda menores, da ordem de centésimos e, até mesmo, milésimos de decibéis por quilômetro. Desse modo, com fibras ópticas, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com um espaçamento muito grande entre repetidores, o que reduz significativamente a complexidade e custos do sistema. Enquanto, por exemplo, um sistema de microondas convencional exige repetidores a distância da ordem de 50 quilômetros, sistemas com fibras ópticas permitem alcançar, atualmente, distâncias sem repetidores superiores a 200 quilômetros. Com relação aos suportes físicos metálicos, é feita uma comparação de perdas de transmissão, levando-se em conta um sistema de transmissão por fibras ópticas de 1° geração (820nm).

c) Imunidade a interferência e ao ruído
As fibras ópticas, por serem compostas de material dielétrico, ao contrário dos suportes de transmissão metálicos, não sofrem interferências eletromagnéticas. Isto permite uma operação satisfatória dos sistemas de transmissão por fibras ópticas mesmo em ambientes eletricamente ruidosos.
Interferências causadas por cargas elétricas atmosféricas, pela ignição de motores, pelo chaveamento de relés e por diversas outras fontes de ruído elétrico esbarram na blindagem natural provida pelas fibras ópticas. Por outro lado existe um excelente confinamento, do sinal luminoso propagado pelas fibras ópticas. Desse modo não irradiando externamente, as fibras ópticas agrupadas em cabos ópticos não interferem opticamente umas nas outras, resultando num nível de ruído de diafonia (crosstalk) desprezível. Os cabos de fibra óptica, por não necessitarem de blindagem metálica, transmissão de energia elétrica. A imunidade a pulsos eletromagnéticos (EMP) é outra característica importante das fibras ópticas.

d) Isolação elétrica
O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõe a fibra óptica oferece uma excelente isolação elétrica entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras ópticas não tem problemas com o aterramento e interfaces dos transceptores. Além disso, quando um cabo de fibra óptica é danificado não existem faíscas de curto-circuito. Esta qualidade das fibras ópticas é particularmente interessante para sistemas de comunicação em áreas com gases voláteis (usinas petroquímicas, minas de carvão etc.), onde o risco de fogo ou explosão é muito grande. A não possibilidade de choques elétricos em cabos com fibras ópticas permite a sua reparação no campo, mesmo com os equipamentos de extremidades ligados.

e) Pequeno tamanho e peso
As fibras ópticas tem dimensões comparáveis com as de um fio de cabelo humano. Mesmo considerando-se os encapsulamentos de proteção, o diâmetro e o peso dos cabos ópticos são bastante inferiores aos dos equivalentes cabos metálicos. Por exemplo, um cabo óptico de 6,3mm de diâmetro, com uma única fibra de diâmetro 125mm e encapsulamento plástico, substitui, em termos de capacidade, um cabo de 7,6cm de diâmetro com 900 pares metálicos. Quanto ao peso, um cabo metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por apenas 3,6 quilos de fibra óptica. A enorme redução do tamanho dos cabos, provida pelas fibras ópticas, permite aliviar o problema de espaço e de congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades e em grandes edifícios comercias. O efeito combinado do tamanho e peso reduzidos faz das fibras ópticas o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites etc. Além disso, os cabos ópticos oferecem vantagens quanto ao armazenamento, transporte, manuseio e instalação em relação aos cabos metálicos de resistência e durabilidade equivalentes.

f) Segurança da informação e do sistema
As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, implicando um alto grau de segurança para a informação transportada. Qualquer tentativa captação de mensagens ao longo de uma fibra óptica é facilmente detectada, pois exige o desvio de uma porção considerável de potência luminosa transmitida. Esta qualidade das fibras ópticas é importante em sistemas de comunicações exigentes quanto à privacidade, tais como nas aplicações militares, bancárias etc. Uma outra características especial de fibras ópticas, de particular interesse das aplicações militares, é que, ao contrário dos cabos metálicos, as fibras não são localizáveis através de equipamentos medidores de fluxo eletromagnéticos ou detectores de metal.

g) Flexibilidade na expansão da capacidade dos sistemas
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ter sua capacidade de transmissão aumentada gradualmente, em função, por exemplo, do tráfego, sem que seja necessária a instalação de um novo cabo óptico. Basta para isso melhorar o desempenho dos transceptores, seja, por exemplo, substituindo-se LED’S por diodos laser ou utilizando-se técnicas de modulação superiores.

h) Custos potencialmente baixos
O vidro com que as fibras ópticas são fabricadas é feito principalmente a partir do quartzo, um material que, ao contrário do cobre, é abundante na crosta terrestre. Embora a obtenção de vidro ultrapuro envolva um processo sofisticado, ainda relativamente caro, a produção de fibras ópticas em larga escala tende gradualmente a superar esse inconveniente. Com relação aos cabos coaxiais, as fibras ópticas já são atualmente competitivas, especialmente em sistemas de transmissão a longa distância, onde a maior capacidade de transmissão e o maior espaçamento entre repetidores permitidos repercutem significativamente nos custos do sistema. Em distâncias curtas e/ou sistemas multipontos, os componentes ópticos e os transceptores ópticos ainda podem impactar desfavoravelmente o custo dos sistemas. No entanto, a tendência é de reversão desta situação num futuro não muito distante, em razão do crescente avanço tecnológico e, principalmente, da proliferação das aplicações locais.

i) Alta resistência a agentes químicos e variações de temperaturas
As fibras ópticas, por serem compostas basicamente de vidro ou plástico, tem uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua utilização em diversas aplicações. Além disso, as fibras ópticas são menos vulneráveis à ação de líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim para uma maior confiabilidade e vida útil dos sistemas.

O uso de fibras ópticas, na prática, tem as seguintes implicações que podem ser consideradas como desvantagens em relação aos suportes de transmissão convencionais:

a) Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos
O manuseio de uma fibra óptica "nua" é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos.

b) Dificuldade de conexão das fibras ópticas
As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões e junções.

c) Acopladores tipo T com perdas muito altas
É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isso repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utilização de fibras ópticas em sistemas multiponto.

d) Impossibilidade de alimentação remota de repetidores
Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.

e) Falta de padronização dos componentes ópticos
A relativa imaturidade e o contínuo avanço tecnológico não tem facilitado o estabelecimento de padrões para os componentes de sistemas de transmissão por fibras ópticas.


REDE TELEFÔNICA

Uma das aplicações pioneiras das fibras ópticas em sistemas de comunicações corresponde aos sistemas tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas tronco exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilômetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.
Alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas minimizam os custos por circuito telefônico oferecendo vantagens econômicas significativas.
Em países ou regiões de intensa urbanização, as distâncias máximas separando centrais ou postos telefônicos são, em geral, inferiores a 100 km. Nestes casos , os sistemas tronco de telefonia podem ser implantados , quando necessário, com repetidores colocados ao longo dos próprios prédios ou instalações telefônicas existentes. Isto evita problemas com a instalação e a alimentação remota dos equipamentos, reduzindo custos e aumentando a confiabilidade e as facilidades de manutenção do sistema.
A interligação de centrais telefônicas urbanas é uma outra aplicação das fibras ópticas em sistemas de comunicações. Embora não envolvam distâncias muito grandes ( tipicamente da ordem 5-20 Km ), estes sistemas usufruem da grande banda passante das fibras ópticas para atender a uma demanda crescente de circuitos telefônicos em uma rede física subterrânea geralmente congestionada. Inúmeros sistemas deste tipo estão instalados no país e no exterior.
No Japão, desde 1985, está instalado um sistema tronco nacional com fibras ópticas, a 400 Mbps, interconectanto várias cidades ao longo de um percurso de 3400 Km, com espaçamento entre repetidores de até 30 Km. Com a flexibilidade de expansão permitida pelas fibras ópticas, já esta sendo experimentada uma ampliação da capacidade de transmissão do sistema tronco para 1,7 Gbps. Nos EUA, os sistemas tronco da rede telefônica, instalados até o final de 1987, já consumiam mais de um milhão de quilômetros de fibras ópticas. O espaçamento típico entre repetidores nos sistemas tronco americanos é de 48 Km e a taxa de transmissão é de 417 Mbps, prevendo-se também uma futura expansão da capacidade do sistema para 1,7 Gbps.


CABOS SUBMARINOS

Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é uma outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem atualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a um espaçamento máximo entre repetidores da ordem de 5 a 10 Km. As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 3° geração (1,3mm), permitem atualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 Km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4° geração (1,55mm), alcance sem repetidores superiores a 100 Km serão perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensões e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para atender a crescente demanda por circuitos internacionais de voz de dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélites.
Em 1988, entrou em operação o primeiro cabo óptico submarino transatlântico associado ao sistema TAT-8, elevando a capacidade de tráfego entre os EUA e a Europa para 20.000 circuitos de voz, sem considerar o uso de técnicas digitais de interpolação (TASI) ou compressão. Proposto formalmente em 1980, este cabo óptico submarino pioneiro interliga os EUA (Tuckerton, NJ) à Europa (Widemouth na Inglaterra e Penmarch na França) em uma distância superior a 7.500Km. O sistema TAT-8 é composto por dois subsistemas de transmissão digital a 280 Mbps e o espaçamento médio entre repetidores á de aproximadamente 60 Km, perfazendo um total de 125 repetidores. O cabo óptico submarino é composto por 3 pares de fibras monomodo (1 par para cada subsistema duplex e 1 par de reserva) operando na região 1,3mm.
Se a demanda de tráfego entre EUA e a Europa continuar com a taxa de crescimento dos últimos 30 anos (25% ao ano), o que é bastante provável, em 1992 será necessário um novo sistema transatlântico com capacidade duas vezes superior ao TAT-8. Para enfrentar esta perspectiva, já foi concebido e está sendo desenvolvido o sistema TAT-9, operando em 1,55mm, com maior capacidade de transmissão e espaçamento entre repetidores. O sistema TAT-9 será composto por dois subsistemas a 560 Mbps, interligando, através de unidade de derivação e multiplexação, Manahawkim nos EUA e Pennant Point no Canadá a três localidades na Europa (Goonhilly na Inglaterra, Saint Hilaire de Riez na França e Conil na Espanha). No total serão 9.000 Km de cabo óptico submarino com um espaçamento médio entre repetidores da ordem 110 a 120 Km.
No Japão existem atualmente vários sistemas de cabo submarinos com fibras ópticas interligando ilhas do arquipélago, desde sistemas sem repetidores operando nas diferentes hierarquias dos sistemas PCM (32, 6,3 e 1,5 Mbps com fibra índice gradual; 100 e 400 Mbps com fibra monomodo) até um cabo submarino tronco domésticos com repetidores.
Na Inglaterra, desde 1987, opera um sistema com cabo óptico submarino, interconectado Darmouth à ilha de Guernsey no Canal da Mancha, numa distância de 135 Km sem repetidores.
Na França um cabo óptico submarino interliga Marselha no continente a Ajaccio na Córsega, numa distância de 330Km com 9 repetidores.


TELEVISÃO POR CABO (CATV)

A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é outra classe de aplicação bastante difundida. As fibras ópticas tem sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos. Também nos circuitos fechados de TV, associados a sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão de sinais de vídeo é constituída pelos sistemas de televisão por cabo (CATV).
As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1Km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30Km. Além de um melhor desempenho, a tecnologia atual de transmissão por fibras ópticas é competitiva economicamente e apresenta uma confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais banda-larga.
Embora a transmissão de imagem digital permita um desempenho superior, os custos dos equipamentos envolvidos com a digitalização tem restringido o uso de fibras ópticas em sistemas CATV com transmissão de sinais de vídeo, principalmente na forma analógica.
Um dos primeiro sistemas comerciais de CATV com fibras ópticas foi instalado em 1976, na Inglaterra.


ESTRUTURA FÍSICA BÁSICA

A fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (em geral, sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis as de um fio de cabelo humano.
A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por uma camada, também de material dielétrico, chamada casca. A seção em corte transversal mais usual do núcleo é circular, porém fibras ópticas especiais podem ter outro tipo de seção (por exemplo, elíptica).
A composição da casca da fibra óptica, com material de índice de refração ligeiramente inferior a do núcleo, oferece condições à propagação de energia luminosa (freqüências ópticas) através do núcleo da fibra óptica. O mecanismo básico de transmissão da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de reflexão interna total que ocorre quando um feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso.

A diferença do índice de refração do núcleo com relação à casca é representada pelo perfil de índices da fibra óptica. Essa diferença pode ser conseguida usando-se materiais dielétricos distintos (por exemplo, sílica-plástico, diferentes plásticos, etc.) ou através de dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo,GeO , P O , B O , F etc.) na sílica (SiO ). A variação de índices de refração pode ser feita de modo gradual ou descontínuo, originando diferentes formatos de perfil de índices. Por exemplo, a fibra óptica ilustrada tem um perfil de índices descontínuo do tipo degrau, caracterizado por um núcleo uniforme com índice de refração n e um casca, também uniforme, com índice de refração n . Por outro lado, um perfil de índices do tipo gradual parabólico.
As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de índices de refração implicam a existência de diferentes tipos de fibras ópticas com características de transmissão, e, portanto, aplicações, distintas. Por exemplo, a capacidade de transmissão, expressa em termos de banda passante, depende essencialmente (além do seu comprimento) da geometria e do perfil de índices da fibra óptica. O tipo de material utilizado, por sua vez, é determinante quanto às freqüências ópticas suportadas e aos níveis de atenuação correspondentes.

As características mecânicas das fibras ópticas, expressas, por exemplo em termos de resistência e flexibilidade, dependem do material dielétrico utilizado e da qualidade dos processos de fabricação. Embora comparavelmente mais resistentes que fios de aço de mesmas dimensões, as fibras ópticas costumam ter a sua estrutura básica protegida das perturbações mecânicas ou ambientais por encapsulamentos ou revestimentos diversos. Essa proteção inclui desde uma segunda camada coaxial de casca, servindo como estrutura física de suporte, até sucessivos encapsulamentos plásticos e encapotamentos, dando origem a cabos ópticos que podem conter uma ou mais fibras ópticas.


PRINCÍPIOS DE PROPAGAÇÃO

A teoria de raios da óptica geométrica permite visualizar, o fenômeno físico de propagação luminosa em fibras ópticas de um modo geral. Todavia, os conceitos da ótpica geométrica não são suficientes quando todos os tipos de fibra óptica são considerados. Isso porque a teoria de raios corresponde apenas a uma aproximação dos princípios de operação da fibra óptica. Uma explicação mais rigorosa desses princípios deve ser feita através da teoria de ondas eletromagnéticas desenvolvida a partir das equações de Maxwell.
Emprega-se, portanto, sempre que possível, a teoria dos raios, de compreensão e visualização mais simples. Quando necessário recorre-se a conceitos da teoria ondulatória da luz para explicar fenômenos ou casos específicos, evitando-se, porém, ao máximo, o formalismo matemático associado.


REFLEXÃO INTERNA TOTAL

A relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz num meio qualquer define o índice de refração, expresso por:

n= c
c meio

Dessa forma, meios dielétricos mais densos correspondem a velocidade de propagação da luz menores e vice-versa. O quadro abaixo representa diversos meios com os índices de refração respectivos. O índice de refração de um determinado material é função do comprimento de onda para o caso da sílica fundida pura e com diferentes dopagens.
Dielétrico n Dielétrico n
Ar 1,0 Quartzo fundido 1,46
Água 1,33 Vidro 1,5-1,9
Álcool etílico 1,36 Diamante 2,42


RAIOS INCLINADOS OU OBLÍQUOS

Os raios inclinados tendem a se propagar na região do núcleo próximo a casca, segundo uma tragetória helicoidal de difícil visualização em duas dimensões.
Além de contribuírem para aumentar a capacidade de captação da luz da fibra óptica, os raios inclinados tem implicações, também, na análise das perdas de propagação ao longo da fibra óptica. Por exemplo, associados aos raios inclinados estão os raios vazados, que correspondem a raios apenas parcialmente confinados no nuçleo da fibra óptica e que vazam para a casca, sendo atenuados a medida que a luz se propaga. A teoria de raios, no entanto, não é suficiente para descrever as perdas de irradiação dos raios vazados, sendo necessária a aplicação da teoria de ondas.
A contribuição dos raios inclinados na determinação da capacidade da captação de luz de uma fibra óptica pode ser significativa para fibras ópticas com NA muito grande. Na maioria dos casos de interesse em sistemas de comunicações, no entanto, usam-se fibras com NA pequeno.


MODOS DE PROPAGAÇÃO

O conceito de modo de propagação está associado à teoria de propagação eletromagnética em guias de onda de uma maneira geral. Os modos de propagação são determinados a partir das equações de Maxwell, sob as condições de contorno impostas pelo tipo de onda (geometria, material etc.) e representam um conjunto de ondas eletromagnéticas que são guiadas de maneira estável pelo guia. Cada modo de propagação é caracterizado por uma configuração de campo elétrico e magnético que se repete ao longo do guia. Cada modo de propagação é caracterizado por uma configuração de campo elétrico e magnético que se repete ao longo do guia, a cada comprimento de onda. Os guias de onda admitem apenas um número discreto de modos propagando-se ao longo do seu comprimento.

A determinação dos modos de propagação em fibras ópticas depende das características da fibra como guia de onda. Para fibras caracterizadas como um guia cilíndrico, homogêneo e infinito, hipótese válida para fibras ópticas com perfil de índices do tipo degrau, é possível obterem-se soluções exatas para as equações de Maxwell. Por outro lado, fibras caracterizadas por um perfil de índice gradual exigem a aplicação de métodos numéricos aproximados na determinação dos seus modos de propagação. Em ambos os casos, o tratamento matemático e a interpretação dos resultados são bastante complexos. Entretanto, para o caso de fibras ópticas, onde a diferença relativa de índices de refração é muito pequena, existem simplificações teóricas que facilitam a compreensão e a manipulação dos resultados das equações de Maxwell. Felizmente, as fibras ópticas de maior interesse em sistemas de comunicação enquadram-se perfeitamente nesta última hipótese.

De uma maneira geral, as fibras ópticas admitem modos de propagação do tipo transversais, onde a componente do campo elétrico (modo TE) ou do campo magnético (modo TM) não existe na direção de propagação da onda eletromagnética, mas apenas transversalmente, e modos híbridos (modo EH e HE), que tem componentes do campo elétrico e do campo magnético na direção de propagação da onda. Numa analogia com a óptica geométrica, os modos TE e TM correspondem a raios meridionais, enquanto que os modos híbridos resultam da propagação de raios inclinados.


Reflexão Interna Total

Existem dois fenômenos associados ao processo de reflexão interna total numa interface de dielétricos que não são aparentes na teoria de raios. Um deles diz respeito ao desvio de fase que ocorre na onda refletida com relação na onda incidente na interface. Esse desvio de fase, cuja magnitude depende do ângulo de incidência e da polarização (modo TE ou TM) da onda, pode ser entendido fisicamente como um deslocamento lateral experimentado pela trajetória do raio sendo refletido pela interface de dielétricos. Embora de difícil observação, este fenômeno pode ser determinado pela teoria ondulatória, fornecendo uma visão importante sobre o mecanismo de propagação em guias de ondas ópticos.
O outro fenômeno de interesse no processo de reflexão interna total numa interface de dielétricos é o campo elétrico evanescente correspondente a penetração, no dielétrico externo, do campo elétrico da onda propagada. A penetração do campo elétrico na casca implica importantes considerações, por exemplo, quanto à escolha do material e ao dimensionamento mais adequado para a casca da fibra óptica.


Fluxo de Potência

A energia eletromagnética de um modo guiado é transportada parcialmente pelo núcleo da fibra óptica e parcialmente pela casca, em razão da existência do campo evanescente. Quanto mais longe o modo estiver de sua condição de corte, mais energia estará concentrada no núcleo. À medida que a condição de corte do modo se aproxima, o campo elétrico evanescente penetra mais na casca, significando mais energia sendo transportada pela casca.

Modos Vazados

Os modos vazados são modos de propagação, que estão apenas parcialmente confinados no núcleo da fibra óptica. Esses modos caracterizam-se por irradiarem (vazarem) continuamente potência fora do núcleo e por serem atenuados à medida que se propagam. A irradiação dos modos vazados resulta do equivalente óptico do fenômeno de mecânica quântica conhecido como efeito túnel. Os modos vazados podem carregar quantidades significativas de potência luminosa em fibras ópticas de comprimento relativamente curto. A maioria desses modos desaparece após alguns centímetros de fibra. Todavia, alguns poucos, com perdas baixas, podem alcançar distâncias da ordem de até alguns quilômetros. Assim sendo, a existência de modos vazados tem implicações práticas em medidas de fibras ópticas, particularmente na determinação da abertura numérica e das perdas de propagação.


Modos Irradiados

A solução das Equações de Maxwell para as condições de contorno impostas por uma fibra óptica inclui, além do número finito de modos guiados, um número infinito de modos que não são guiados pelo núcleo da fibra e que irradiam potência para fora. Esses modos irradiados corresponde aos raios que estão fora do cone de aceitação da fibra óptica e são refratados para a casca. Como a casca de uma fibra óptica prática tem espessura finita e é envolta por um material de proteção ou suporte físico, alguns dos modos irradiados podem ser guiados pela casca. A existência de modos irradiados guiados pela casca da fibra óptica pode afetar as medidas em fibra ópticas em razão do fenômeno de acoplamento de modos. Por exemplo, os modos guiados pela casca podem ser acoplados a modos guiados pelo núcleo a partir de descontinuidades (emendas) na fibra óptica, implicando uma redução da banda passante efetiva.


Acoplamento de Modos

As características de propagação de uma fibra óptica podem se afastar daquelas previstas teoricamente para o caso de um guia de onda dielétrico perfeito (cilíndrico, núcleo homogêneo etc.). Na realidade, as imperfeições existem no guia de onda prático, traduzidas em termos de desvios de geometria básica (eixo curvo, variações no diâmetro etc.) e de irregularidades na composição do núcleo e da casca (não homogeneidade etc.), podem mudar as características de propagação da fibra óptica. O efeito dessas imperfeições em fibras ópticas práticas, que podem ser causadas na fabricação ou no simples manuseio operacional da fibra, é o de acoplar energia de um modo de propagação em outro, dependendo do tipo de perturbação. Portanto, numa fibra multimodo há sempre o fenômeno de acoplamento de modos que resulta na transferência de energia de um modo para os modos adjacentes, à medida que a luz se propaga ao longo da fibra óptica.
O acoplamento de modos tem implicações importantes na determinação das características de transmissão das fibras ópticas. Por exemplo, os modos irradiados guiados pela casca, podem se acoplar aos modos de ordem superior guiados pelo núcleo (inclusive os modos vazados). Isso é possível porque o campo elétrico evanescente de um modo guiado pelo núcleo interage com os modos guiados pela casca.


TIPOS DE FIBRA

As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão, ditadas essencialmente pelo perfil de índices de refração da fibra e pela sua habilidade em propagar um ou vários modos de propagação. Com implicações principalmente na capacidade de transmissão (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectores luminosos, resultam dessa classificação básica os seguintes tipos de fibra óptica:

· Multimodo índice degrau: o tipo de perfil de índices e as suas dimensões relativamente grandes implicam uma relativa simplicidade quanto a fabricação e facilidades operacionais: apresenta, porém, uma capacidade de transmissão bastante limitada.

· Multimodo índice gradual: complexidade média na fabricação e dimensões moderadas que implicam uma conectividade relativamente simples; apresente uma capacidade de transmissão alta.

· Monomodo: tem dimensões muito pequenas, dificultando, portanto, a conectividade; caracteriza-se, entretanto, por uma capacidade de transmissão bastante superior às fibras do tipo multimodo.

A classificação típica das fibras ópticas, reflete, de maneira geral, a evolução tecnológica básica em termos de capacidade de transmissão na aplicação mais importante das fibras ópticas: a dos sistemas de telecomunicações. Todavia, considerando-se o grau de sofisticação das aplicações, é possível adotar classificações específicas, envolvendo outros critérios, tais como:

· Arquitetura do suporte de transmissão: o suporte de transmissão pode ser composto de uma única fibra ou de um feixe de fibras com implicações diversas quanto à capacidade de captação de potência luminosa, à flexibilidade, `as facilidades de conexão e acoplamento, às perdas de propagação e, naturalmente, às aplicações.

· Composição material: fibras com o par núcleo-casca do tipo sílica-sílica, sílica-plástico ou plástico-plástico tem propriedades distintas quanto às facilidades operacionais e de fabricação, às perdas de transmissão, à tolerância a temperaturas etc., permitindo atender a uma variedade de aplicações.

· Freqüências ópticas de atuação: esta classificação, que inclui, por exemplo, as fibras no infravermelho e as fibras no ultravioleta, reflete o desenvolvimento de fibras ópticas para operar fora da faixa típica (0,7 a 1,6mm) atual das aplicações em comunicações: esses tipos de fibras podem envolver características operacionais próprias em função das aplicações, bem como novos materiais na busca de um melhor desempenho em termos das perdas de transmissão.

· Outros tipos de perfil de índices: fibras monomodo com perfil de índices diferentes do degrau tem implicações importantes quanto às características de transmissão; é o caso, por exemplo, das fibras com dispersão deslocada e as fibras dispersão plana.

· Geometria ou sensibilidade à polarização: além da seção circular típica, as fibras monomodo podem ter um núcleo de seção elíptica com implicações importantes quanto a filtragem e manutenção de polarização; é o caso, por exemplo, das fibras com polarização mantida.


MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU

As fibras ópticas do tipo multimodo índice degrau (ID), conceitualmente as mais simples, foram as pioneiras em termos de aplicações práticas. Este tipo básico de fibra óptica caracteriza-se, essencialmente, por:

· Variação abrupta do índice de refração do núcleo com relação à casca, dando origem ao perfil de índices tipo degrau.

· Dimensões e diferenças relativas de índices de refração implicando a existência de múltiplos modos de propagação (V>2,405).

Considerando-se as dimensões típicas e o material usual de fabricação, as fibras multimodo índice degrau caracterizam-se pela existência de milhares de modos. O número de modos neste tipo de fibra depende do número V, representativos de seus parâmetros físicos e do comprimento de onda da luz transmitida.
O grande número de modos existentes numa fibra multimodo ID tem importantes implicações quanto a sua capacidade de transmissão. De fato, a variedade de modos existentes resulta num aumento da dispersão do sinal transmitido, limitando bastante a banda passante desse tipo de fibra óptica. Em conseqüência disso, as aplicações das fibras multimodo ID em sistemas de comunicações restringe-se a distância relativamente curtas.

A maioria dos modos propagados numa fibra multimodo ID opera longe das suas condições de corte, estando, portanto, bem confinadas no núcleo da fibra. Como a maior parte potência luminosa é transportada no núcleo e não na casca, a espessura da casca neste tipo de fibra não afeta significativamente a propagação dos modos.
Uma das principais propriedades das fibras multimodo ID é a sua grande capacidade de captar energia luminosa. Essa capacidade, depende apenas da diferença relativa de índices de refração, é expressa pela abertura numérica que varia tipicamente de 0,2 a 0,4 para esse tipo de fibra. Esses altos valores de NA , por outro lado, reduzem bastante a banda passante das fibras multimodo índice degrau. A variação de NA é obtida usando diferentes materiais na composição do núcleo e da casca da fibra.

As fibras multimodo ID de maior interesse nas aplicações de telecomunicações tem sua composição (núcleo-casca) baseada principalmente na sílica (pura ou dopada).
Existem, no entanto, fibras multimodo ID cuja composição da casca é feita com algum tipo de plástico transparentre ( por exemplo, silicone, poliestireno, polímeros especiais etc.). A utilização de plástico na casca permite a obtenção de aberturas numéricas superiores, pois o plástico apresenta índices de refração mais baixos que a sílica. A alternativa usual de se dopar o núcleo da sílica para aumentar o índice de refração é mais cara e complexa, especialmente se for considerado o caso de fibras de grande diâmetro.

Por outro lado, o uso de plástico, ao invés de sílica, na casca da fibra tem o efeito de aumentar os perdas de transmissão, limitando significativamente o alcance das aplicações. Em aplicações diferentes dos sistemas de telecomunicações (iluminação, instrumentação etc.), onde o mais importante é a capacidade de captação de luz, existem fibras multimodo ID compostas totalmente (núcleo e casca) por plástico. Essa fibras, são conhecidas por fibras de plásticos.
O diâmetro do núcleo de uma fibra multimodo índice degrau é tipicamente igual ou superior a 100mm. Essa característica física permite o uso de conectores de menor precisão e fontes luminosas menos diretivas, implicando, portanto, facilidades operacionais no acoplamento e nas emendas de fibras, além de menores custos.

As fibras multimodo índice degrau oferecem, para aplicações em distâncias curtas e pouco exigentes em termos de banda passante, as seguintes principais vantagens:
· permitem o uso de fontes luminosas de baixa coerência (mais baratas) tais como os diodos eletroluminescentes (LED’S);
· tem aberturas numéricas e diâmetros do núcleo relativamente grandes, facilitando o acoplamento com as fontes luminosas;
· requerem pouca precisão nos conectores.


Fibras de Plástico

As fibras multimodo ID podem ser feitas totalmente de plástico, desde que mantenham sua propriedade essencial, isto é, um índice de refração da casca inferior ao do núcleo. Com certos tipos de plásticos transparentes (por exemplo, silicone, polimetil metacrilato- PMMA, poliestireno etc.) obtém-se facilmente NA superiores a 0,5, permitindo aplicações que exigem uma maior captação de enrgia luminosa, tipicamente, na "janela" visível, em torno de 630nm. Além disso, as fibras de plástico caracterizam-se por uma grande flexibilidade mecânica e pela alta tolerância nas conexões e acoplamentos, em razões de suas dimensões relativamente grandes (diâmetros do núcleo variando tipicamente de 100 a 6.000mm e a dimensão da casca não excedendo em 10% a do núcleo). Por outro lado, as fibras de plástico apresentam, negatividade, altas perdas de transmissão. Essas altas perdas, tipicamente superiores a centenas de decibéis por quilômetro na faixa do espectro visível, limitam consideravelmente as distâncias possíveis na transmissão de sinais.
Uma outra desvantagem das fibras de plástico, com relação as fibras de plástico, com relação às fibras de sílica, é a casca menor tolerância a temperatura altas.
As aplicações das fibras de plástico incluem sistemas de instrumentações e comunicações em automóveis (onde as distâncias são muito curtas e os requisitos de banda passante modestos), mas principalmente em sistemas de iluminação e transmissão e transmissão de imagem, por exemplo, em aplicações mádicas.
Uma fibra de plástico (PMMA) típica no mercado para operações nos comprimentos de onda de 525, 575 e 650nm tem as seguintes características: relação de diâmetros 200/240mm, relação de índices 1,492/1,417, NA = 0,47, temperatura máxima de 75°C e atenuação de 50dB/km (525nm).


Feixe de Fibras

As fibras ópticas tipo multimodo índice degrau, tanto de sílica como de pla’stico, podem ser agrupadas em feixes de fibras com a finalidade principal de aumentar a área de captação de luz. O feixe pode ser rígido, formado pela fusão de fibras individuais, ou pode ser flexível, agrupando-se fibras fisicamente seperadas. A atenuação típica desses feixes é da ordem de um decibel por metro e a faixa de atenuação inclui o espectro visível (400-700nm), para os feixes de plástico, e uma mais larga (400-2200nm), para os feixes com fibras de sílica.

Os feixes com fibras de sílica podem ser aplicados em transmissão de sinais, por exemplo, em automóveis. Todavia, as principais aplicações dos feixes de fibras são constituídas por sistemas de iluminação e transmissão de imagem em distâncias muito curtas. No caso de transmissão de imagem, o feixe deve ser formado de modo que o arranjo das fibras seja idêntico nas suas extremidades, a fim de permitir a reconstrução aproximada da imagem transmitida. Nesse caso, quanto menor for o núcleo das fibras do feixe, maior será a resolução da imagem transmitida. Os feixes de fibras para aplicações em transmissão de imagem podem ser rígido ou flexível, como por exemplo, no caso de instrumentação médica. Por outro lado, no caso aplicações em iluminação, as fibras do feixe podem ser misturadas aleatoriamente de uma extremidade a outra de modo a garantir uma melhor distribuição da luz.


MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL

As fibras multimodo índice gradual (IG), de conceituação e fabricação um pouco mais complexas, caracterizam-se principalmente pela sua maior capacidade de transmissão com relação as fibras multimodo índice degrau. Desenvolvidas especialmente para as aplicações em sistemas de telecomunicações, as fibras multimodo IG apresentam dimensões menores que as de índice degrau ( mas suficientemente moderadas de maneira a facilitar as conexões e acoplamentos) e aberturas numéricas não muito grandes, a fim de garantir uma banda passante adequada as aplicações.
Em termos de estrutura básica, as fibras multimodo índice gradual caracterizam-se essencialmente por:
· variação gradual de índice de refração do núcleo com relação à casca, dando origem ao perfil de índices tipo gradual;
· dimensões e diferença relativa de índices de refração implicando a existência de múltiplos modos de propagação.
A abertura numérica de uma fibra multimodo IG descreve à medida que a posição r se afasta do eixo no sentido da casca., que compara as aberturas numéricas de vários tipos de perfil gradual. É importante observar que as fibras multimodo tipo índice gradual aceitam menos luz do que as correspondentes do tipo índice degrau para uma mesma diferença relativa de índices de refração.

Para um perfil de índices parabólico (a=2) tem-se que o número de modos de propagação é a metade do número guiado por uma fibra multimodo ID com o mesmo parâmetro V . A capacidade de transmissão de uma fibra óptica é fundamentalmente afetada pelo número de modos de propagação guiados, em razão do fenômeno de dispersão modal. Assim sendo, o número de modos (inferior aos das fibras multimodo ID) implica uma capacidade de transmissão superior para as fibras multimodo IG. Essa maior capacidade é função do parâmetro a.

O núcleo não homogêneo de uma fibra multimodo índice gradual pode ser considerado, como uma sucessão de finas camadas superpostas, cuja composição (em geral, sílica dopada) muda gradualmente à medida que a camada se afasta do eixo da fibra. De maneira geral, a casca neste tipo de fibra, considerando-se principalmente as aplicações em sistemas de comunicações, é composta basicamente de sílica. Todavia, existem fibras multimodo IG com casca de plástico que, embora impliquem perdas de transmissões maiores, bem como maior tolerância à umidade e às variações de temperatura, apresentam custos menores e certas qualidades aproveitadas em aplicações especiais.
As dimensões típicas de uma fibra multimodo IG incluem diâmetros do núcleo variando entre 50-85mm (para um diâmetro de casca igual a 125mm).
A dimensão padrão, isto é, o diâmetro da fibra , de 125mm, é suficientemente grande para dar uma resistência e flexibilidade, minimizar as perdas por microcurvaturas e não impactar fortemente os custos.
Com o amadurecimento da tecnologia de fibras monomodo associado à demanda de sistemas locais com capacidades de transmissão mais altas, as aplicações das fibras multimodo IG tem progressivamente sido orientadas para sistemas de comunicações em distâncias curtas (alguns quilômetros).


MONOMODO

As fibras ópticas do tipo monomodo distinguem-se das fibras multimodo, basicamente, pela capacidade de transmissão superior e pelas dimensões menores. Embora tenham sido fabricadas pioneiramente e tenham demonstrado suas potencialidades em termos de banda passante desde cedo, as fibras monomodo tiveram seu desenvolvimento e aplicações retardados por mais de uma década. As dimensões muito reduzidas das fibras monomodo exigem o uso de dispositivos e técnicas de alta precisão para a realização de conexões entre segmentos de fibras e do acoplamento da fibra com as fontes e detectores luminosos. Essas dificuldades operacionais das fibras monomodo, associadas à pressão da demanda de sistemas de telecomunicações de grande capacidade, favorecem, numa primeira fase, o desenvolvimento das fibras multimodo índice gradual. Todavia, a contínua evolução tecnológica vem superando gradativamente os inconvenientes de conectividade, permitindo que as fibras monomodo, hoje em dia, não apenas resgatem a vocação para as aplicações em sistemas de grande capacidade mas também se apresentem como a alternativa quase obrigatória dos futuros sistemas de comunicações.

Em razão das fibras monomodo terem dimensões bastante próximas às dos comprimentos de onda da luz incidente, não são válidas as aplroximações da ópica geométrica para explicar o funcionamento desse tipo de fibra óptica. Nesse caso, como foi visto anteriormente, é necessário basear-se na teoria de ondas. Dessa ultima, resulta que uma fibra óptica é do tipo monomodo quando se caracterizar como um guia de onda cujas dimensões e composição material (í9ndices de refração) impliquem, para determinados comprimentos de ondas incidentes, a existência de um único modo de propagação guiado. No caso de perfil de índices do tipo degrau,mais usual, a fibra é caracterizada como monomodo quando seu número V for inferior a 2,405. Como V é função do comprimento de onda da luz transmitida, costuma-se caracterizar as fibras monomodo por um comprimento de onda de corte que é definido como o comprimento de onda a partir do qual a fibra tem um comportamento monomodo.

É possível obter-se uma fibra monomodo basicamente de três maneiras:
· reduzindo-se a diferença de índices de refração;
· reduzindo-se o diâmetro do núcleo;
· aumentando-se o comprimento de onda da luz incidente.
Em geral, o comprimento de onda de operação é determinado por considerações de perdas de transmissão, não se constituindo, num grau de liberdade muito útil para projetos de fibras monomodo. A redução da diferença de índices é bastante limitada na prática, pois resulta em grandes dificuldades de fabricação, além de reduzir sua capacidade de captação de luz (abertura numérica). A redução do diâmetro do núcleo constitui-se, em princípio, na variável com maior grau de liberdade no projetos de fibras monomodo. Entretanto, a redução das dimensões é limitada pelas dificuldades mecânicas e ópticas nas conexões e acoplamentos.

Uma maneira de se obter fibras monomodo com dimensões um pouco maiores consiste em utilizar um perfil de índices diferentes do perfil convencional tipo degrau.
Embora as fibras monomodo caracterizem-se por diâmetros do núcleo tipicamente inferiores a 10mm, as dimensões de casca permanecem na mesma ordem de grandeza das fibras multimodo. Isso resulta do fato da casca ter de ser suficientemente espessa para acomodar completamente o campo evanescente do modo propagado, tornando-o desprezível na interface externa da casca. Dessa maneira evita-se que as características de propagação de fibra monomodo sejam afetadas por seu manuseio operacional e permite-se que o revestimento de proteção da fibra seja feito com um material com perdas de transmissão altas. Em princípio, uma espessura de casca de ordem de 10 vezes superior ao comprimento de onda de operação é suficiente para fibras com V próximo a 2,4. Na prática, porém, considerando-se os requisitos de controle de perdas por curvaturas, a relação de diâmetros núcleo/casca usual é bem maior , da ordem de 10 vezes. Um parâmetro importante que define no acoplamento da potência do modo fundamentel no núcleo da fibra monomodo é o chamado raio modal.

Enquanto nas fibras mutimodo a potência luminosa se propaga quase que inteiramente no núcleo da fibra, no caso das fibras monomodo uma quantidade considerável do sinal se propaga na casca da fibra. A proporção de potência luminosa propagando-se na casca e no núcleo de uma fibra monomodo é função do comprimento da onda.
Existem outros ti pos de perfil de índices para fibras monomodo que, além de permitirem dimensões maiores para o núcleo, tem outras implicações práticas quanto as características de transmissão (atenuação e dispersão). Por exemplo, perfil de índices, corresponde a um perfil do tipo casca-interna-levantada. Este perfil representa uma fibra monomodo com dupla casca, sendo a casca interna relativamente fina e com índice de refração ligeiramente superior ao da casca convencional externa. O perfil tipo W implica um maior confinamento da potência óptica no núcleo da fibra; por outro lado, impõe um comprimento de onda de corte finito para o modo fundamental.
Quando o raio da casca interna numa fibra com casca-interna - rebaixada é da ordem de cinco vezes maior ou igual ao raio do núcleo (a’ >= 5a), tem-se um perfil casca interna - rebaixada - larga; por outro lado, quando o raio da casca interna for menor que o diâmetro do núcleo (a’ <= 2a), perfil é conhecido como casca-interna-rebaixada-estreita. O perfil do tipo W e os perfis degrau gradual e núcleo segmentado tem propriedades de dispersão muito interessantes e úteis.

Fibras com Dispersão Deslocada
A banda passante de uma fibra óptica é função da sua dispresão, que, por sua vez, depende, entre outros fatores, das características de perfil de índices do guia de onda. As fibras monomodo típicas (sílica, perfil tipo degrau) caracterizam-se por uma região de dispersão nula em torno de 1,3mm. Variando-se as dimensões e diferenças de índices ou usando-se um perfil de índices diferente do degrau, é possível deslocar as condições de dispersão nula de uma fibra monomodo para comprimentos de onda onde as perdas de transmissão são menores, por exemplo, 1,55mm. Esse tipo de fibra monomodo, que desloca as características de dispersão, é conhecido como fibra monomodo com dispersão deslocada.

Fibras com Dispersão Plana
As fibras com dispersão plana são fibras monomodo que procuram manter a dispersão em níveis bastante baixos ao logo de uma região espectral entre dois pontos com características de dispersão zero (por exemplo, 1,3mm e 1,55mm). Além de deslocar a característica de dispersão nula para 1,55mm. As fibras monomodo com dispersão plana oferecem, com relação as fibras com dispersão deslocada, a vantagem de poderem operar com vários comprimentos de onda, permitindo, por exemplo, uma ampliação da capacidade de transmissão do suporte através da técnica de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM).

Fibras com Polarização Mantida
Uma fibra monomodo com simetrias circular é, em geral, insensível a polarização (horizontal e vertical) da luz transmitida pelo modo único propagado. Todavia, imperfeições de fabricação ou a indução de deformações mecânicas na fibra podem alterar as suas condições de simetria, implicando em diferentes condições de propagação para as duas polarizações do modo propagado. Na maioria das aplicações, essas possíveis modificações na polarização da luz transmitida não são importantes, entretanto, em aplicações específicas com sistemas de transmissão do tipo coerente ela são fundamentais.
Um tipo de fibra monomodo de bastante interesse para os sistemas coerentes é a fibra monomodo com polarização mantida, que, como o nome indica, caracteriza-se por manter ao longo da transmissão, a polarização da luz que originalmente entrou na fibra. Este tipo de fibra monomodo apresenta propriedades diferentes (birefringência) para a propagação das duas polarizações, isolando uma da outra, que podem ser construídas, alterando-se deliberadamente o núcleo circular convencional das fibras ópticas por um de seção elíptica ou introduzindo-se a característica da birefringência através de materiais, no núcleo e na casca, com diferente coeficientes de expansão térmica.

Fibras no Infravermelho Médio
A tecnologia atual de fibras ópticas baseia-se essencialmente no uso da sílica como componente básico, sendo que, em aplicações especiais, pode-se também, utilizar algum tipo de plástico na composição da fibra. Entretanto, em comprimentos de onda superiores a 1,6mm, onde potencialmente as perdas de transmissão são mínimas, o uso de sílica em fibras ópticas deixa de ser atraente por causa das altas perdas por absorção intrínseca. Isso tem originado o desenvolvimento de fibras ópticas com novos materiais.
Esses novos materiais que incluem, principalmente, calcogenitas e fluoretos de zircônio e de outros metais pesados, oferecem possibilidade de perdas intrínsecas extremamente baixas na região de 1,6 a 10mm, dando origem a classe das fibras infravermelho médio.

A tecnologia das fibras operando no infravermelho médio é ainda bastante experimental, com as perdas efetivas muito acima do mínimo teórico. Além disso, essas fibras apresentam-se, no caso de operação em comprimentos de onda curtos, mais frágeis e caras (o processo de purificação dos novos materiais é mais complexo) do que as de sílica. Assim sendo, embora uma das principais motivações no desenvolvimento desse tipo de fibra seja a possibilidade de sistemas de comunicações de longa distância sem repetidores (por exemplo, cabos submarinos) com fibras monomodo, as fibras do infravermelho médio atuis são do tipo multimodo índice degrau, utilizadas principalmente na transmissão de potência luminosa de laser para corte em aplicações cirúrgicas e industriais.


CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISSÃO
As características de transmissão de uma fibra óptica podem ser descritas essencialmente pelas suas propriedades quanto à dispersão dos sinais por ela transmitidos. A atenuação está diretamente associada às perdas de transmissão, uma característica fundamental em todo tipo de suporte de transmissão. O fenômeno de dispersão, por sua vez, permite caracterizar a capacidade de transmissão de uma fibra óptica, expressa pela taxa de transmissão (em bits por segundo) ou pela banda passante em (hertz), respectivamente, nos casos de sistemas digitais ou analógicos.

ATENUAÇÃO
A atenuação experimentada pelos sinais luminosos propagados através de uma fibra óptica é uma característica cujo papel é fundamental na determinação da distância máxima entre um transmissor e um receptor óptico. A atenuação (ou as perdas de transmissão) de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua saída.
Os mecanismos básicos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas são os seguintes:
· absorção
· espalhamento
· curvaturas
· projeto do guia de onda
É importante que no dimensionamento de um sistema de transmissão, além das perdas introduzidas pela atenuação da fibra óptica, devem ser consideradas também as perdas causadas nas emendas e conexões entre segmentos de fibras e no acoplamento das fibras com as fontes e detectores luminosos.

PERDAS POR ABSORÇÃO

As perdas por absorção são causadas pelos seguintes tipos de mecanismos:
a) Absorção intrínseca
Este tipo de absorção depende do material usado na composição da fibra e constitui-se no principal fator físico definindo a transparência de um material de numa região espectral especificada. Considerando-se um processo de fabricação perfeito (sem impurezas, sem variações na densidade, homogeneidade do material etc.), a absorção intrínseca estabelece um limite mínimo fundamental na absorção para qualquer tipo de material usado. No caso dos materiais usualmente utilizados na fabricação de fibras ópticas (sílica fundida e outros tipos de vidros puros), os principais mecanismos de absorção intrínseca correspondem a:
· banda de absorção eletrônica, que resulta de transições estimuladas de elétrons na região do ultravioleta (pico em l=0,14mm para sílica fundida);
· banda de vibração atômica, que ocorre na região do infravermelho.
Essas características implicam a existência de uma janela de absorção intrínseca baixa de faixa de 0,7 a 1,6mm. para caso de sílica dopada com germânio. Existem fortes bandas de absorção na região do infravermelho médio. Estas bandas de absorção estão associadas a oscilações de unidades estruturais dos vidros óxidos, tais como Si-0 (9,2mm), P-O (8,1mm), B-O (7,2mm) e Ge-O (11,0mm). A utilização de vidros compostos por materiais não óxidos, tais como fluoretos e cloretos , possibilita a fabricação de fibras para operar nessa região espectral. O material dopante usualmente utilizado na composição do perfil de índices da fibra tem, em geral, pouca influência nas perdas totais.
b) Absorção extrínseca
A absorção extrínseca resulta da contaminação de impurezas que o material da fibra experimenta durante seu processo de fabricação. No caso de fibras ópticas construídas através do processo convencional de fusão direta, a absorção dos íons metálicos, que apresentam transições eletrônicas na região de 0,5 a 1,0mm, constitui-se no principal fator de perdas de fibra, podendo chegar, por exemplo, as perdas superiores a 1dB/km para uma concentração de cobre ou de cromo equivalente a uma parte por bilhão. Todavia, com a utilização de técnicas de fabricação derivadas da tecnologia de fabricação de semicondutores - que oferecem, portanto, um bom controle das impurezas -, é possível eliminar-se os efeitos dos íons metálicos, mantendo a contaminação em níveis aceitáveis. Uma segunda causa de absorção extrínseca é a presença de íons OH- (água dissolvida no vidro) cuja vibração fundamental na sílica ocorre em 2730nm com sobretons harmônicos em 720, 950 e 1390. Concentrações de OH- da ordem de uma parte por milhão implicam perdas de 1dB/km em 950nm e 40dB/km em 1390.
c) Absorção por efeitos estruturais
A absorção por defeitos estruturais resulta do fato de a composição do material da fibra estar sujeita a imperfeições, tais como, por exemplo, a falta de moléculas ou a existência de defeitos do oxigênio na estrutura do vidro. Este tipo de absorção é normalmente despresível com relação aos efeitos das absorções intrínsecas ou das impurezas. No entanto, a absorção por defeitos estruturais pode ser significativa quando a fibra é exposta a níveis intensos de radiação nuclear.

PERDAS POR ESPALHAMENTO
Os mecanismos de espalhamento contribuindo para as perdas de transmissão em fibras ópticas incluem os seguintes tipos:
· espalhamento de Rayleigh
· espalhamento de Mie
· espalhamento de Brillouin estimulado
· espalhamento de Raman estimulado
Os dois primeiros tipos são mecanismos lineares de espalhamento causados pela transferência de potência de um modo guiado para modos vazados ou irradiados. Os outros dois tipos de espalhamento são mecanismos não-lineares que implicam a transferência de potência luminosa de um modo guiado para si mesmo, ou para outros modos, em um comprimento de onda diferentes. Os efeitos dos espalhamentos Brillouin e de Raman estimulados são geralmente significativos apenas em fibras monomodo.

PERDAS POR CURVATURAS
As fibras ópticas estão sujeitas a perdas de transmissão quando submetidas a curvaturas que podem ser classificadas em dois tipos:
· curvaturas cujos raios de curvatura são grandes comparados com o diâmetro da fibra (ocorrem por exemplo, quando um cabo óptico dobra um canto ou uma esquina);
· curvaturas microscópicas aleatórias do eixo da fibra cujos raios de curvatura são próximos ao raio do núcleo da fibra (ocorrem quando as fibras são incorporadas em cabos ópticos).
Qualitativamente, as perdas por curvaturas podem ser explicadas examinando-se o campo evanescente que se propaga na casca da fibra. A partir de um determinado raio de curvatura, o campo evanescente na casca deveria propagar-se a uma velocidade maior qua a da luz pode poder acompanhar o campo propagando-se no núcleo da fibra. Como isso não é possível, a energia luminosa associada ao campo evanescente perde-se por irradiação.

Os modos de propagação de maior ordem são os primeiros a perder energia com as curvaturas, pois, ao contrário dos modos de modelo inferior, propagam-se mais próximos da casca. As curvaturas, portanto tem o efeito de diminuir o número de modos propagados, melhorando portanto, a capacidade de transmissão em fibras multimodo.
No caso de fibras monomodo, a operação em comprimento de onda mais próximo as condições de corte é menos afetada pelas perdas de curvaturas que a operação em comprimento de onda mais afastado dessas condições.

PERDAS DE PROJETO DO GUIA DE ONDA

Além dos modos vazados que, consistem apenas numa pequena porcentagem dos modos propagados, a atenuação em fibras ópticas pode ser afetada intrinsecamente pelas características do guia de onda. A potência que se propaga numa fibra óptica não está totalmente confinado no núcleo. A parte de potência luminosa que se propaga na casca é atenuada pelas características de atenuação da casca da fibra óptica. É importante, no projeto de uma fibra óptica com baixas perdas, considerar as seguintes alternativas:
· garantir que a maior parte da potência luminosa seja confinada no núcleo da fibra;
· utilizar uma casca com espessura adequada e composta por um material com perdas comparáveis às do material do núcleo
Uma maneira de obter um maior confinamento de potência luminosa no núcleo consiste em se utilizar um perfil de índices do tipo W que inclui uma casca interna, relativamente estreita, com índice de refração menor do que o da casca externa. No caso de fibras monomodo, a casca interna com índice de refração mais baixo aumenta o confinamento da potência luminosa no núcleo, mas pode também introduzir um comprimento de onda de corte finito para o modo fundamental, a partir do qual o modo se torna vazado, com as perdas aumentando com o aumento da depressão de índices e com a diminuição da largura da casca interna.


JANELAS DE TRANSMISSÃO
A tecnologia pioneira de fibras ópticas caracteriza-se pela existência de regiões espectrais, com atenuação mínima. Essas regiões de atenuação mínima, centradas nos comprimentos de onda de 850nm, 1300nm e 1550nm, deram origem as chamadas janelas de transmissão. Embora com o aperfeiçoamento das técnicas de fabricação, não se possa mais caracterizar atualmente três regiões de atenuação mínima em fibras de sílica, as janelas de transmissão continuam a servir como referência da tecnologia de sistemas de transmissão por fibras ópticas. Por exemplo, a operação na região dos 850nm, onde as fibras atuais oferecem atenuações típicas da ordem de 3 a 5 dB/km para aplicações em sistemas a curta distância, justifica-se pela simplicidade e custos da tecnologia disponível de fontes e detectores luminosos.

A janela de transmissão em 1300nm está associada a característica de disperção nula, oferecendo possibilidades de enormes capacidades de transmissão. Dessa forma, apesar de não corresponder mais a um mínimo de atenuação, a janela em 1300nm é ainda bastante atrativa para operação de sistemas de alta capacidade de transmissão. Nessa janela existem fibras comerciais, com atenuações da ordem de 0,7 a 1,5dB/km e um valor mínimo da 0,47dB/km para fibra dopada com fósforo. A janela de transmissão em 1550nm, corresponde efetivamente a uma região de atenuação espectral mínima das fibras de sílica. Nessa janela já se fabricam fibras monomodo de sílica com atenuação da ordem de 0,2dB/km, muito próximas do limite teórico de perdas para este comprimento de onda. Para operação no comprimento de onda de 1,57mm já se obtêm perdas da ordem de 0,16dB/km ainda mais próximas do limite teórico.

DISPERÇÃO
O fenômeno de dispersão em uma fibra óptica, resultado dos diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam a energia luminosa, tem por efeito a distorção dos sinais transmitidos, impondo, uma limitação na sua capacidade de transmissão. No caso de transmissão digital, o espalhamento dos pulsos ópticos resultantes da dispersão, determina a taxa máxima de transmissão de informação por unidade de tempo através da fibra. Existem três mecanismos básicos da dispersão em fibras ópticas com implicações distintas segundo o tipo de fibra:
· dispersão modal ou intermodal
· dispersão material
· dispersão do guia de onda

TÉCNICAS DE FABRICAÇÃO
O material dielétrico usado na fabricação de fibras ópticas deve atender os seguintes requisito básicos:
· excelente transparência nas freqüências ópticas de interesse;
· materiais na casca e no núcleo com propriedades térmicas e mecânicas compatíveis e índices de refração ligeiramente diferentes;
· possibilidade de realização de fibras longas, finas e flexíveis.
Isso restringe a confecção de fibras ópticas a, basicamente, duas classes de materiais: vidros e plásticos. O plástico, limita o alcance das aplicações a distâncias curtas, por apresentar níveis de atenuação relativamente altos. Por outro lado, o plástico pode ser utilizado na realização da casca e do núcleo, ou apenas da casca, com vantagens em termos de custos e em aplicações em ambientes hostis, onde sua resistência mecânica é maior. Todavia, é a classe dos vidros a mais interessante para construção de fibras ópticas aplicadas ao sistemas de telecomunicações, em razão das características de atenuação mais favoráveis.

Na classe dos vidros, considerando-se a janela espectral típica das fibras atualmente (0,7 a 1,6mm), destacam-se os dois tipos fundamentais:
· vidros de sílica pura ou dopada;
· vidros multicompostos.
A distinção entre estes dois tipos de vidros para fibras ópticas reside, principalmente, nos processos de fabricação. Em ambos os casos, os materiais em questão tem uma estrutura vítrea isotrópica e são transformados em fibra na forma de um fluído.

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