Aspectos Fundamentais da Tecnologia da Fibra

A palavra LUZ é usada para descrever as radiações eletromagnéticas visíveis e também as das regiões adjacentes (infravermelhas e ultravioletas próximas, pois se comportam da mesma forma).

A figura mostra o espectro de frequência das radiações eletromagnéticas e seus respectivos comprimentos de onda.

As indicações da região próximo do infravermelho com comprimento de onda entre 800 e 1800 nm (ou 0,8 a 1,8 m), são as que podem ser usadas para comunicações com Fibras Ópticas e estão mostradas na figura abaixo. As mesmas correspondem as chamadas JANELAS DE TRANSMISSÃO, 1ª, 2ª e 3ª janela respectivamente.

A forma mais simples de se conduzir luz dentro de uma fibra óptica e evitar que ela se escape, é construir um guia de onda óptico constituído de duas camadas concêntricas com índices de refração diferentes, chamados NÚCLEO e CASCA , como mostrado na figura 4. Saliente-se que o núcleo é sempre constituído por um material de refração maior que o material usado na casca.

O índice de refração (n) é definido como a relação entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e a velocidade da luz no material.

O que caracteriza um meio dielétrico cristalino, do ponto de vista óptico é seu índice de refração (n) e é ele que define o comprimento da luz ao passar de um meio para outro. Se o índice de refração de um material é n = 1,5 então sua velocidade no meio será de:

Concluímos então que a velocidade da propagação da luz varia de acordo com o meio.

Quando um feixe de luz monocromática (somente um comprimento de onda) passa por um meio com índice de refração n1 para outro meio com índice de refração n2, este muda de direção conforme o ângulo de incidência;

A lei de refração define que:

Então podemos concluir que, quanto maior o índice de refração, menor a velocidade de propagação da luz.

Quando a luz passa de um meio n1 para um meio n2 , formando entre o meio n e a normal um ângulo de 90º, este será chamado de ÂNGULO CRITICO. O ângulo critico é um ângulo onde a luz refratada acompanha a superfície de separação dos dois meios.

Consideremos um raio de luz num certo meio (vidro por exemplo), incidindo sobre uma superfície além da qual existe um meio com índice de refração n menor que o primeiro (ar). Verifica-se que , a medida em que o ângulo de incidência aumenta, chega-se a uma situação (raio e) em que o raio refratado sai tangente à superfície de refração igual a 90º. Para ângulos maiores que este ângulo critico “O2” não existe raio refratado, ocorrendo o fenômeno chamado REFLEXÃO INTERNA TOTAL.

A seguir veremos um exemplo com várias substâncias colocadas em camadas, sendo que a substância mais refringente está exatamente no centro, e as substâncias menos refringentes estão colocadas do centro para a periferia, como mostrado na figura 9. Quando um raio monocromático incide na substância “a”, faz com este um ângulo de incidência “i”, ao sair de “a”, incide em “b” fazendo um ângulo “a” e assim sucessivamente até chegar em “d” onde haverá uma reflexão interna total. Após esta reflexão o raio monocromático retornará ao centro e sairá para a outra periferia. Concluímos que a trajetória deste raio monocromático forma uma forma senoidal, devido a seu ângulo de incidência e a diferença dos índices de refração.

A maioria dos feixes de luz são misturas de ondas cujos comprimentos variam de um extremo a outro de espectro visível.

Embora a velocidade das ondas de luz no vácuo seja constante, a velocidade da luz num meio material varia com o comprimento de onda. O índice de refração de uma substancia é portanto, função do comprimento de onda. Chamamos de DISPERSÃO, exatamente a propriedade da luz de percorrer um meio material com diferentes velocidades, conforme seu comprimento de onda. Consideremos um raio de luz branca mistura de tidas as cores) incidente num prisma. Como o erro produzido aumenta com o índice de refração, a luz violeta será a mais desviada e a vermelha a menos, ao sair do prima, a luz se dispersa em forma de leque. Diz –se então, que a luz foi dispersada em um espectro.

Uma medida conveniente deste desvio é dada pelo desvio da luz amarela, pois o amarelo está mais ou menos no meio do vermelho e do violeta. Como o desvio e o índice de refração estão relacionados o desvio do espectro inteiro é definido pelo índice de refração da luz amarela, enquanto que a dispersão depende da diferença entre os índices de refração para o violeta e o vermelho.

Veremos a continuação alguns detalhes das características de propagação em fibras ópticas. Em particular, serão discutidos os seguintes assuntos: propriedades do guiamento da luz, dispersão, espalhamento e atenuação (que é uma das limitações impostas ao projeto de comunicações por Fibras Ópticas). Entendemos por Fibra Óptica, o guia cilíndrico de dielétrico transparente com a função de confinar e guiar a luz visível ou infravermelha a longas distâncias.

Quando um raio de luz ou modo de transmissão passa de um vidro com índice de refração maior (núcleo da fibra) para um vidro com menor índice de refração (casca da fibra), há uma mudança na direção do raio.

Enquanto o ângulo de incidência for maior que o ângulo critico, o raio de luz será conduzido dentro do núcleo da fibra por reflexão interna total e será chamado de raio guiado pelo núcleo. 

A principal função da Fibra Óptica é a de conduzir sinais luminosos de um ponto a outro do sistema. A primeira fibra desenvolvida foi a fibra MULTIMODO DE ÌNDICE DEGRAU. Em seguida houve um esforço tecnológico no sentido de diminuir a atenuação óptica e aumentar a banda de passagem, surgindo então as fibras MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL e as FIBRAS MONOMODO.

A fibra de índice degrau consiste em um núcleo de 10 a 50 m de diâmetro, coberto por uma casca com um diâmetro de 100, 200 ou 300 m e um índice de refração ligeiramente menor que o núcleo. Nesta fibra a luz é totalmente refletida na linha divisória entre o núcleo e a casca (reflexão interna total) e se propaga em forma de zig-zag. Como o diâmetro do núcleo é muito menor que o comprimento de onda guiada, existirá um grande número de modos sendo transmitidos pela fibra. Devido a este elevado número de modos e a propagação em linha quebrada (zig-zag), este tipo de fibra foi denominados FIBRA MULTIMODO DE ÍNDICE DEGRAU , como mostrado na figura 17. A largura de banda está limitada na ordem de 30 a 100 MHz x Km.

Nesta fibra, o índice de refração é maior no centro do núcleo e decresce do centro até a linha divisória entre núcleo e casca, ou melhor, o índice de refração se torna cada vez menor a medida que se aproxima do centro do núcleo. Por outro lado, a luz nesta fibra não é mais conduzida por múltiplas reflexões mas sim refratada de volta ao centro do núcleo, assemelhando-se a uma propagação ondulatória.

Devido a esta variação do índice de refração e consequentemente propagação quase ondulatória, os tempos de propagação dos modos vão ser quase os mesmos. Note-se que os modos de transmissão que se dirigem a outra extremidade da fibra pelo centro do núcleo terão um menor caminho a percorrer, porem com velocidades menores, quando comparadas com os modos refratados, pois nestas últimas a luz passa por regiões onde o índice de refração é menor e, obviamente, terá uma velocidade maior do que nos modos que se dirigem pelo centro do núcleo. Este tipo de fibra também suporta centenas de modos guiados. 

Vamos calcular para os dois tipos de fibras, o número de modos (aproximado), sendo que as duas fibras são idênticas tanto no diâmetro do núcleo e da casca como no índice de refração (usar os números de índice gradual).

Note-se que o número de modos guiados nesta fibra é duas vezes menor (aproximadamente) que na fibra de índice degrau. As fibras de índice degrau são apropriadas para sistemas de comunicações que requerem extensa largura de faixa, ou para sistemas de elevadas taxas de bits, sendo usadas também em redes de comunicações em longas distâncias.

Neste tipo de fibra, o diâmetro do núcleo 2a = 5 um e é muito menor que o diâmetro da casca 2b = 125 um. O índice de refração da casca (n2) é ligeiramente menor que o índice de refração do núcleo (n1). Valores típicos n1 = 1,471 e n2 =1,457.

Em geral esta fibra possui um  = 0,002 e, como o próprio nome indica suporta apenas um modo de propagação para um particular comprimento de onda (). Para que isto aconteça, o padrão normalizado de freqüência é dado por:

E deve ser menor que 2,405. Este tipo de fibra possui uma banda de passagem maior que 10 G Hz x Km e é usada em sistemas de elevada taxa de bits (acima de 140 Mbit/s), com uma distância aproximada de 100 Km sem repetidores.

OBSERVAÇÃO: note-se que a banda de passagem tem aumentado de fibra para fibra, com a diminuição dos modos de propagação.

A largura de banda de um sistema de comunicações é definida como sendo a faixa de freqüência que o sistema pode utilizar para transportar informações. É grande a sua importância, por ser diretamente proporcional à capacidade de transmissão de informação do sistema. Por exemplo: considere a mais simples parcela da informação, um pulso que representa “0” ou “1”, obviamente, quando mais pulsos por segundo puderem ser enviados maior será a capacidade de transporte de informação do sistema. Entre tanto, o número de pulsos enviados ou recebidos por segundo será limitado pela largura de banda do sistema. A largura de banda impõe um limite porque , quando a velocidade de informações se torna muito elevada, o sistema não consegue distinguir a diferença entre “0” ou “1”.

De acordo com a figura anterior, lançando-se pulsos ópticos com duração de nanosegundos na fibra (gerados por um “laser semicondutor”), observamos o alongamento que ocorre no perfil do pulso na saída da fibra. Este alongamento cresce ao longo da fibra e, eventualmente, o pulso irá se sobrepor com seu vizinho, aumentando assim, o número de erros na saída do receptor. Este fenômeno de alargamento é também chamado de DISPERSÃO DO PULSO e impõe um limite sobre a largura de banda máxima da fibra. A técnica de domínio temporal para medir a dispersão do pulso, mostra a mudança no perfil do pulso após percorrer a fibra.

Se t1 é a largura a meia altura da intensidade do pulso de entrada e t2 a do pulso do pulso de saída, então a dispersão do pulso , assumindo uma forma gaussiana dos pulsos, é dada opor:

Um pequeno pulso óptico se alarga depois da propagação em uma fibra ótica em virtude dos seguintes mecanismos:

• Dispersão Modal
• Dispersão Material
• Dispersão Modal Tg

A dispersão modal é causada pelas diferentes velocidades dos modos se propagando na fibra.

Vários outros termos tem sido usados para se referir à dispersão modal:

• Dispersão Intermodal
• Dispersão Multicaminho
• Dispersão Multimodo
• Dispersão Monocromática

A ilustra o exemplo de vários modos propagando-se na fibra com velocidades iguais mas com distâncias diferentes a percorrer.

A dispersão material ocorre pelo fato de o índice de refração depender do comprimento da onda, causando diferenças entre as velocidades dos componentes espectrais da fonte de luz usada

• Dispersão Intramodal
• Dispersão Cromática
• Mesmo quando se usa o Diodo Emissor de Luz (LED) com largura espectral de 40 nm como fonte de luz, Tm é insignificante quando comparada com Tg na fibra degrau, porem, na fibra de índice gradual, se usarmos a mesma fonte de luz, m é maior que  g. Na figura 24 temos a largura do LED e do LASER.

Observe que, se usarmos um LASER como fonte de luz (com largura espectral de 2 nm ) como fonte de luz, e uma fibra multimodo de índice gradual, a dispersão será quase que totalmente reduzida; porem, se usarmos uma fibra monomodo praticamente não haverá dispersão modal e nem a dispersão material. Desta forma, a banda de passagem nesta última fibra, será da ordem de 10 GHz