cecília machado alves roberta mesquita silva...
TRANSCRIPT
Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Graduação em Engenharia de Telecomunicações
Cecília Machado Alves
Roberta Mesquita Silva
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE UMA
FONTE DE LUZ FLUORESCENTE EM 560 NM PARA
COMUNICAÇÃO DE DADOS EM FIBRAS ÓTICAS
POLIMÉRICAS SI-PMMA
Niterói-RJ
2017
ii
Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Graduação em Engenharia de Telecomunicações
CECÍLIA MACHADO ALVES
ROBERTA MESQUITA SILVA
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE UMA FONTE DE LUZ FLUORESCENTE EM
560 NM PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS EM FIBRAS ÓTICAS POLIMÉRICAS SI-PMMA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Universidade Federal Fluminense como requisito
para obtenção do grau Bacharel em Engenharia de
Telecomunicações.
Orientadores:
Prof. Dr. VINÍCIUS NUNES HENRIQUE SILVA
Prof. Dr. RICARDO MARQUES RIBEIRO (Co-orientador)
Niterói-RJ
2017
Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF
A474 Alves, Cecília Machado
Desenvolvimento e caracterização de uma fonte de luz
fluorescente em 560 NM para comunicação de dados em fibras
óticas poliméricas SI-PMMA / Cecília Machado Alves, Roberta
Mesquita Silva. – Niterói,. RJ : [s.n.], 2017.
45 f.
Projeto Final (Bacharelado em Engenharia de
Telecomunicações) – Universidade Federal Fluminense, 2017.
Orientadores: Vinícius Nunes Henrique Silva, Ricardo Marques
Ribeiro.
1. Fibra ótica. 2. Fluorescência. 3. Comunicação de dados. I.
Silva, Roberta Mesquita. II. Título.
CDD 621.38275
iv
"No mundo haveis de ter aflições. Coragem! Eu
venci o mundo."João 16:33
v
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, aos meus pais, Alda e Azis, por todo seu amor, e que além de me darem
a vida, sempre me deram a oportunidade de estudar em excelentes escolas, que sempre me apoiaram em
todas as minhas decisões, aflições e desafios, principalmente em relação ao curso de Engenharia.
À minha irmã, Luíza, por seu amor, apesar das brigas, por ser a única capaz de testar minha
paciência e por ser minha melhor amiga desde sempre.
Às minhas avós, Aracylda e Maria da Glória (falecida), por todo carinho e amor que desde a
infância me deram de forma incansável e por estarem presentes em todos os momentos.
Aos meus amigos, Ana Luíza e Thiago por me aturarem durante cinco, ou um pouco mais, anos
na faculdade.
À Vivian que, além de fazer todo o curso técnico e graduação comigo, ainda aceitou a missão de
viajarmos pra estudar na Irlanda.
À Roberta que aceitou fazer esse último trabalho comigo, afinal oito anos de estudo e trabalho
juntas não são suficientes para nós duas. À vocês quatro, por toda sua amizade e companheirismo.
Ao Gabriel Chaves, sem sua ajuda eu não seria nada em SisComp.
E finalmente, aos professores Vinicius e Ricardo, orientadores deste projeto, que acompanharam
e guiaram o meu desenvolvimento desde a iniciação científica, quando Óptica ainda era um assunto de
outro mundo.
Cecília Machado Alves
vi
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, à Deus, pois sem Ele nada disso seria possível.
Aos meus pais e minha irmã pelo amor incondicional e por me apoiarem e aconselharem em cada
momento da minha vida, em especial ao longo da minha vida universitária.
Aos amigos Thiago Cunha, Ana Luiza Dória e Vivian Cosenza por estarem ao meu lado ao longo
destes cinco anos, me mostrando que cada dia, cada aula e cada prova ficam mais fáceis quando se está
ao lado dos seus amigos.
Aos amigos Fábio Amaral e Flávio Viegas pela oportunidade de estagiar com vocês, por toda
amizade, carinho, pelas lições de vida e técnicas e por me mostrarem como é ser um excelente engenheiro.
Às amigas Isabela Martins e Rebeca Miranda por me acompanharem ao longo desses anos, por
entenderem minhas ausências quando precisava estudar ou terminar um trabalho e por entenderem minhas
crises de mau humor, que não foram poucas.
Ao professor Vinícius pela oportunidade e incentivo para aprender óptica na prática.
À amiga Cecília Machado por não desistir de mim, pela amizade e companheirismo, por me
entender e estar comigo todos esses anos e ainda aceitar fazer este último trabalho comigo.
Roberta Mesquita Silva
Lista de Figuras
2.1 Comprimento de onda de uma onda eletromagnética (13) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Reflexão, difração e refração de uma onda eletromagnética (14) . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Estrutura da fibra óptica (15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Fibra multimodo e fibra monomodo (16) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Espectro de luz visível (17) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6 Comparação entre as fibras step index e graded index (5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 Janela de transmissão para fibras ópticas a base de PMMA (19) . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1 Níveis de energia e emissão de fótons (34) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Diagrama do LED (22) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1 Sistema Ótico ponto-a-ponto (26) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Diagrama básico de Comunicações Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.3 Multiplexação em Comprimento de Onda (27) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4 Espectro de transmissão do WDM (13) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.5 Exemplo de uma rede com WDM da AsGa (14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.1 Primeira montagem (31) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Montagem do sistema com a FPOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.3 Comprimento de onda x intensidade irradiada com transmissão em 520nm e LFPOF = 7, 5mm 20
5.4 Comprimento de onda x intensidade irradiada com transmissão em 520nm e LFPOF =
14, 3mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.5 Comprimento de onda x potência irradiada com transmissão em 470nm e LFPOF = 5mm 20
5.6 Comprimento de onda x potência irradiada com transmissão em 470nm e LFPOF = 9mm 21
5.7 Eficiência Externa Estática em 570nm para o LED verde e azul . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.8 Pulso antes e depois da conversão [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.9 Sequência de pulsos transmitida e a sequência recebida em uma fibra óptica plástica de 20m 22
5.10 Diagrama da segunda montagem (31) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.11 Montagem física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.12 Pico e largura de fluorescência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.13 Espectro medido para diferentes comprimentos de FPOF (31) . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.14 Potência medida para diferentes comprimentos de FPOF (31) . . . . . . . . . . . . . . . . 25
vii
viii
5.15 Curvas de Potência da FPOF em relação a corrente para um LED verde (520nm) e para
um LED RC (650nm) de acordo com a temperatura de operação (5) . . . . . . . . . . . . 26
6.1 Foto LASER verde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
ix
Lista de Siglas
MUX - Multiplexador
DEMUX - Demultiplexador
FDM - Multiplexação por Divisão de Frequência
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED - Diodo Emissor de Luz
PMMA - Poli-Metil-Metacrilato
POF - Fibra ótica Polimérica
TDM - Multiplexação por Divisão de Tempo
WDM - Multiplexação em Comprimento de Onda
FPOF - Fibra ótica Polimérica Fluorescente
ICPOF - Conferência Internacional de Fibras Óticas de Plástico
RC - Cavidade Ressonante
Sumário
Agradecimentos v
Agradecimentos vi
Lista de Figuras viii
Lista de Siglas ix
Resumo xii
Abstract xiii
1 Introdução 1
1.1 Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Revisão bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Fibras Óticas de Plástico 5
2.1 Introdução às Fibras Óticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Step-Index e Graded-Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Atenuação em 560nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Fontes de Luz 11
3.1 Emissão Estimulada (LASER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Emissão Espontânea (LED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Fibras Fluorescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Sistemas de Comunicação para POF 15
4.1 Ponto-a-Ponto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Experimentos com FPOFs e Resultados 18
5.1 Descrição do Experimento de Criação de uma Fonte Amarela . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.1.1 Montagem LED + POF + FPOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
x
xi
5.1.2 Testes de transmissão de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2 Descrição do Experimento de Aprimoramento da Fonte Amarela . . . . . . . . . . . . . . 23
6 Conclusões e Trabalhos Futuros 28
6.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Referências Bibliográficas 30
xii
Resumo
Esse trabalho apresenta desenvolvimento experimental de uma fonte de luz fluorescentes em 560
nm, para utilização em sistemas de Comunicações Ópticas por Multiplexação em Comprimento de Onda.
A fonte é composta de uma fibra fluorescente e um LED de bombeio. Esses dois dispositivos são
utilizados para fazer a conversão de comprimento de onda de 520nm para 560nm, já que uma fonte de
560nm é de difícil fabricação. Seu desenvolvimento é importante para suprir a demanda por comprimentos
de onda em sistemas de WDM para POF.
Foram comparadas duas fontes de bombeio da fibra, uma de 470nm e uma de 520nm, para se
chegar a melhor conversão e foi analisado o espectro e a potência de saída para cada um dos comprimentos
de fibra preparados para este projeto. Além disso, foram simulados sinais de entrada aplicados a esta
fonte através de um Bias-T, para projetar uma comunicação real.
A fonte óptica desenvolvida é integrável, possui eficiência de conversão de 14%, e potência de
saída de até 328,5uW. Em enlaces de 20m de POF apresenta uma perda de 25% da amplitude normali-
zada do sinal transmitido.
Palavras-chave: Fibra ótica. POF. Fluorescência. 560nm. WDM para POF.
xiii
Abstract
This project consists on presenting the experimental development of a 560nm fluorescent opti-
cal source, to be applied on Optical Communications Systems and Wavelength Division Multiplexing
Systems.
This source is composed of a fluorescent fiber and a LED. This devices are used to convert the
beam wavelength from 520nm to 560nm, once a 560nm source is difficult to produce. Its development
covers the demand for wavelengths on WDM over POF systems.
Two suppling LED sources were compared, one at 470nm and the other at 520nm, to get the
best conversion from the system. The optical spectrum was also analysed for each of the fiber lengths
prepared for this project. Simulations of signals applied to the source were also done through a Bias T
circuit, simulating a real comunication.
The developed source is integrable, has 14% of conversion eficiency and optical output power of
328,5uW. On 20m POF links, the signal losses 25% of its normalized amplitude.
Keywords: Optical Fiber. POF. Fluorescence. 560nm. WDM over POF.
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo será apresentada uma breve descrição do histórico sobre o crescimento e a impor-
tância do estudo das Comunicações Óticas e uma pesquisa bibliográfica sobre fonte ótica e Multiplexação
por Comprimento de Onda.
1.1 Histórico
Em 1837, Samuel Morse criou o telégrafo elétrico, o marco do início das Telecomunicações.
Entretanto, o telégrafo só passou a ser utilizado em 1844, quando sua primeira linha foi instalada e
funcionava utilizando o código morse. Em 1876, Alexandre Graham Bell inventa o telefone e então as
Telecomunicações começam a evoluir mais rapidamente (1).
O físico irlandês John Tyndall foi um dos grandes pesquisadores que contribuiu para o desenvol-
vimento das Comunicações Óticas. Além de descobrir o “Efeito de Tyndall” que consiste na dispersão da
luz, quando atravessa um meio com pequenas partículas da ordem do comprimento de onda da luz (2),
em 1870 realizou um experimento onde foi demonstrado o princípio do guiamento de luz pela água, no
qual ele iluminou um jarro com água e ao fazer um orifício, a luz foi guiada através do orifício pela água.
Apesar disso, as pesquisas para se utilizar a luz como meio de comunicação só foram iniciadas em 1950
(3).
Nas primeiras décadas do século XX, surgia a necessidade da implementação de Sistemas de
Telecomunicações que possibilitassem comunicações simultâneas. Para suprir essa necessidade foram
criados equipamentos com ondas portadoras para transmissão de dois ou quatro canais de voz. Este
modelo logo foi substituído por modelos de maior capacidade, e com o surgimento de semicondutores esse
avanço foi ainda mais rápido (4).
Com o avanço da tecnologia e o crescimento da demanda por comunicação e informação passou-
se a utilizar frequências de portadoras cada vez maiores, causando saturação das faixas de frequências
utilizadas e congestionamentos (4).
Neste cenário, os estudos e a utilização de sistemas de ondas milimétricas, na faixa de frequência
acima de 30 GHz, ganharam força impulsionando o mercado das Comunicações Óticas. Alguns fatores que
2
também influenciaram na utilização de equipamentos óticos foram seu desempenho em relação ao fator de
atenuação (parâmetro que estabelece a distância máxima de transmissão sem necessidade de repetidores)
e a largura de faixa (parâmetro que estabelece a frequência máxima de modulação permitida) (4).
1.2 Revisão bibliográfica
Este trabalho estudará as fibras óticas plásticas devido sua facilidade de instalação e manuseio e
baixo custo, com foco em aumentar a banda de comunicação disponível nesse tipo de fibras. Tendo isso
em vista, a seguir serão apresentados artigos e estudos já realizados nas pesquisas de comunicações por
fibras plásticas e de Multiplexação por Comprimento de Onda em POFs e sua evolução. Essas pesquisas
reforçam a necessidade do desenvolvimento de fontes óticas específicas para comunicações em POF.
Segundo Ziemann, 2008 (5), a maior parte dos sistemas de transmissão e dos experimentos com
fibras de PMMA foram feitas para a faixa de 650nm apesar das taxas de menor atenuação se encontrarem
em torno de 520 e 560nm. Isso ocorreu devido a falta de LEDs adequados para transmissão de sinais
nestas faixas.
Abrate, 2013 (6) demonstra um estudo as fibras plásticas e sua utilização. Ao longo da análise
das faixas de menor atenuação, os autores indicam as taxas de atenuação por quilômetro para as janelas
de transmissão para o verde, azul e vermelho. Enquanto a faixa do amarelo é apenas citada como a
melhor faixa para utilização, porém, devido a falta de equipamentos adequados a esta, esta faixa será
negligenciada.
Segundo Ziemann, 2008 (5) os LEDs feitos com GaN (Nitreto de Gálio) são ideais para trans-
missão de dados para comprimentos de onda menores que 600nm, porém este material só passou a ser
utilizado em meados da década de 1990. A partir disso, o livro mostra diversos experimentos e o avanço
das pesquisas em relação às fontes ópticas nas faixas do azul, verde e amarelo.
Ziemann, 2008 (5) mostra um experimento realizado em 1992 com um dos primeiros LEDs co-
merciais com transmissão no amarelo (na faixa de 596nm) para uma transmissão em 100Mbit/s utilizando
uma SI-POF de 100m, onde a sensibilidade do receptor era de -29,55dBm. Para a transmissão no verde,
ele apresenta diversos experimentos, um dos primeiros mostra um LED emitindo em 520nm a uma taxa
de 30Mbit/s em uma SI-POF de 100m com um receptor de sensibilidade igual a -20,8dBm. Um dos me-
lhores resultados apresentados utiliza um LED verde da DieMount, que, transmitindo 10Mbit/s alcançou
uma distância de 425m em em sua demonstração em uma Conferência sobre POF em 2006.
Em trabalhos mais recentes, como Jiang, 2015 (7), estuda-se a utilização do InGaN (Nitreto
de Índio Gálio) para resolver o que chamam de green-gap problem (o problema do intervalo verde,
em tradução livre). Este projeto apresenta a confecção de um LED emitindo em 560nm através de
um processo de recombinação radioativa dos elementos eletrônicos do InGaN. Os resultados obtidos se
mostram animadores, utilizando uma corrente de 20mA foi obtida uma eficiência de aproximadamente
20lm/W e uma voltagem de 3,39V, um valor normalmente usado para aplicações ópticas. Porém, os
estudos mostram que ainda é preciso haver melhora na estabilidade do cristal.
Outro problema com o qual nos deparamos ao estudarmos transmissão de dados usando POFs é
3
a transmissão de diversos canais de comunicação diferentes em uma mesma fibra, ou seja, a multiplexação
de sinais. Segundo Ziemann, 2008 (5), as dificuldades encontradas estão relacionadas ao largo diâmetro
da POF e a faixa de operação em que esta transmite, tendo em vista que a faixa utilizada por fibras de
vidro estão sendo estudadas há bastante tempo e possuem diversas soluções, porém estas não se adequam
a faixa de utilização das fibras de plástico.
Segundo Haupt, 2007 (8) e 2009 (9) as soluções para multiplexação de sinais disponíveis no
mercado são muito caras para seu uso. Nestes trabalhos, os autores apresentam os diversos mercados
em que as POFs são utilizadas, como o setor automotivo e em sistemas indoor. São então apresentadas
soluções viáveis para multiplexadores e demultiplexadores de baixo custo, o que torna os sistemas de POF
sem encarecimento de instalação e manutenção. Este estudo se baseia em dividir o espectro visível em
canais, sendo cada canal uma cor diferente. Esse sistema junta todos os canais em um feixe policromático
para a transmissão, e na recepção esse feixe deverá ser separado em feixes monocromáticos novamente
para garantir que a informação de cada canal seja entregue corretamente.
Tendo em vista a necessidade de se aprimorar os equipamentos de multiplexação para que as
POFs possam ser melhor utilizadas, a seguir temos alguns resultados de experimentos e projetos que
visam aumentar o número de canais de comunicação dentro desta fibra, além de buscar melhores taxas
de transmissão para atender ao aumento de tráfego.
Segundo Jončić, 2014 (10), as características espectrais de um demultiplexador não suportam
operar com mais de três canais. Este estudo conseguiu otimizar uma transmissão WDM para POF,
fornecendo quatro canais a uma taxa de 14.77 Gb/s e BER de 103, nos valores de 405, 450, 515 e 639nm,
por 50m de POF.
Segundo Pinzón, 2015 (11), apesar dos estudos anteriores atingirem taxas de 3Gb/s em 25m de
POF e 1Gb/s em 50m, para transmissões com LED, ainda era necessário uma capacidade de transmissão
maior para atender a demanda dos usuários. Isso estimulou o interesse na fabricação de transmissores e
receptores com padrão baseado em POF, para melhorar a eficiência do sistema. Já existem sistemas que
possuem de 4 a 6 canais no WDM visível, transmitindo por 50m a 14.77 e 21Gb/s, respectivamente.
1.3 Motivação
Ao longo dos anos, a demanda por maior banda e velocidade de transmissão cresceu consideravel-
mente devido ao volume de usuários cada vez maior, o que impulsionou pesquisas na área de Comunicações
Óticas. A Multiplexação por Comprimento de Onda, que é amplamente utilizada para fibras de vidro
em comunicações de alta velocidade, se mostrou muito necessária e eficiente também no crescimento das
comunicações por fibras de plástico. A Multiplexação por Comprimento de Onda, que é amplamente
utilizada para fibras de vidro em comunicações de alta velocidade, se mostrou muito necessária e eficiente
também no crescimento das comunicações por fibras de plástico.
Este trabalho vem, então, dar continuidade aos estudos de WDM sobre POF e mostrar o de-
senvolvimento de uma fonte ótica em 560nm utilizando uma fibra fluorescente. Esse comprimento de
onda é ideal para transmissão em POFs, pois se localiza em uma janela de transmissão que possui a
4
menor atenuação do espectro (12) e, apesar disso, foi pouco explorado em indústrias pela dificuldade de
fabricação de seus componentes.
O estudo apresentado aqui tem como origem um projeto de iniciação científica, no qual foram
realizadas as medições e estudos iniciais das fibras fluorescentes, suas características e aplicações. O
artigo “Fast wavelength conversion to generate 560-nm fluorescence for data transmission in polymer
optical fibres” (12) publicado em revista apresentou os resultados obtidos como um projeto de inovação
das Telecomunicações.
Capítulo 2
Fibras Óticas de Plástico
Neste Capítulo será feito um estudo das propriedades das fibras plásticas, suas características,
tipos, vantagens e desvantagens. Será estudado também o comportamento do feixe de luz em cada tipo
de fibra e apresentado quanto do sinal é atenuado em cada comprimento de onda, mostrando as vantagens
de se trabalhar em cada um deles.
2.1 Introdução às Fibras Óticas
Podemos definir a luz como uma onda eletromagnética gerada a partir da emissão de fótons
decorrentes da transição de elétrons entre os níveis de energia dos átomos. Uma onda eletromagnética
é composta por um campo magnético e um campo elétrico perpendiculares entre si. Alguns conceitos e
características destas ondas relevantes para o tema abordado serão apresentados a seguir.
Um conceito importante de ondas e que será amplamente explorado neste trabalho é o compri-
mento de onda. Podemos defini-lo como a distância necessária para introduzir uma variação de fase de
2π radianos em uma onda senoidal (4). Esta grandeza é usualmente representada pela letra grega lambda
(λ) e pode ser relacionada com a frequência da onda (f) e a velocidade da luz no vácuo (c) pela seguinte
expressão:
λ =c
f(2.1)
6
Figura 2.1: Comprimento de onda de uma onda eletromagnética (13)
Alguns fenômenos importantes no estudo da propagação de uma onda eletromagnética são: re-
fração, reflexão e a difração. A refração é um índice que calcula a velocidade de propagação de uma
onda em um meio a partir de sua velocidade no vácuo. A reflexão de uma onda ocorre quando esta
colide com algum obstáculo, causando uma divisão de energia da frente de onda, fazendo com que uma
parte continue sua trajetória e outra parte retorne ao ponto de origem. A parte que retorna a origem é a
chamada onda refletida. A difração é o espalhamento de uma onda ou sua mudança de trajetória quando
esta encontra um obstáculo (4).
Figura 2.2: Reflexão, difração e refração de uma onda eletromagnética (14)
Este trabalho estudará a propagação da onda eletromagnética dentro de fibras óticas plásticas.
É importante ressaltar que os fenômenos descritos anteriormente também são válidos para propagação
dentro da fibra. A seguir, serão apresentadas as características das fibras óticas utilizadas.
A fibra ótica é o canal por onde a luz será guiada entre a origem do sinal e seu destino. Sua
estrutura consiste em um núcleo, por onde trafega a luz através da reflexão, uma casca, que apresenta
índice de refração menor que o núcleo, impedindo que a luz escape, e uma capa de material dielétrico. Em
alguns tipos de fibra a luz pode trafegar também pela casca, isso gera uma propagação em velocidades
diferentes, que tem outras aplicações que não serão tratadas neste projeto.
7
Figura 2.3: Estrutura da fibra óptica (15)
As fibras podem ser classificadas em relação a quantidade de modos de propagação dentro do
núcleo. Classificam-se então como, fibras monomodo (a luz se propaga em um único modo) ou fibras
multimodo (a luz se propaga em diversos modos diferentes), como mostrado na figura abaixo.
Figura 2.4: Fibra multimodo e fibra monomodo (16)
As fibras óticas também podem ser classificadas em fibras de vidro (sílica) e fibras plásticas
(POF).
Plastic ou Polymer Optical Fibers (POF) são Fibras Óticas de Plástico. São caracterizadas por
possuírem o núcleo de material polimetilmetacrilato, também conhecido como PMMA.
As fibras óticas de vidro são caracterizadas por terem um núcleo extremamente fino, com espes-
suras que variam entre 50 e 62µm para fibras multimodo e 9µm para fibras monomodo. Essas dimensões
se devem às características da luz que trafegam dentro desta fibra, cujo comprimento de onda varia
em torno de 1300nm. Diferentemente da fibra de vidro, as POFs possuem uma espessura de núcleo de
aproximadamente 1mm (5).
Devido esse núcleo espesso, este tipo de fibra não suporta sistemas de alta velocidade nem trafega
luz a grandes distâncias por possuir perdas óticas elevadas (em torno de 0.15dB por metro, enquanto as
fibras de vidro possuem em média 0.15 dB por quilômetro, na janela de comprimentos de onda acima de
1300nm).
Apesar de todas essas diferenças e aparentes desvantagens, as fibras óticas de plástico possuem
vantagens e facilidades que estão fazendo com que esta ganhe importância e cresça em diversas áreas.
8
Em comparação com as fibras de vidro, algumas de suas vantagens são: sua boa flexibilidade, tornando
sua instalação muito mais simples; facilidade de acoplamento, sendo desnecessário o uso de equipamentos
de alta precisão e possibilitando a utilização de conectores de custo bem mais baixo; além da facilidade
em relação ao corte de suas extremidades, este pode ser feito utilizando uma lâmina afiada, como uma
lâmina de barbear ou um estilete, por exemplo.
As características apresentadas tornam este tipo de fibra recomendado para redes pequenas, como
redes de condomínios ou conexões dentro de um equipamento. O que está fazendo com que este tipo de
fibra ganhe espaço em mercados como o setor automotivo para utilização em sistemas digitais de controle
de veículos, por exemplo. Outro fator favorável é o custo de manutenção, que é muito mais baixo do
que para fibras de vidro, por não necessitarem de caixas de emenda. Em contrapartida, no mercado de
telecomunicações, provedores de serviços como internet, TV e telefone ainda possuem certa resistência
quanto ao seu uso, apesar das POFs estarem se mostrando uma ótima alternativa para redes indoor.
Levando em consideração a imunidade das fibras óticas em relação à interferências elétricas, pode-
se fazer uso destas fibras também em prédios já construídos apenas acrescentando-as aos dutos elétricos
já existentes.
Outra característica das fibras óticas de plástico é a transmissão de comprimentos de onda de luz
visível, que por suas propriedades apresentam melhor propagação pelo material desse tipo de fibra.
Figura 2.5: Espectro de luz visível (17)
2.2 Step-Index e Graded-Index
Como dito anteriormente, as fibras óticas podem ser classificadas como monomodo e multimodo,
dependendo da quantidade de modos de propagação da luz que percorre a fibra. Nesta seção, será feita
uma análise um pouco mais detalhada da fibra multimodo.
As fibras multimodo podem ser classificadas como step-index ou graded-index. Para explicar estas
classificações será necessário ressaltar duas características das fibras óticas, são elas: as fibras multimodo
possuem um núcleo cujo diâmetro é bem maior que o das fibras multimodo, o que permite que a luz
trafegue em múltiplos feixes e ângulos diferentes; e a diferença entre os índices de refração do material
que constitui o núcleo e a casca das fibras óticas (18).
As fibras multimodo do tipo step-index possuem um índice de refração do núcleo constante e
9
consideravelmente maior do que o índice de refração da casca. Esse tipo de fibra é adequado para
aplicações que requerem altas densidades de potência, como a área médica, e é pouco utilizado no mercado
de Telecomunicações pois, devido aos diversos caminhos que a luz pode percorrer ao longo da fibra, os
comprimentos dos links das fibras deve ser pequeno para evitar dispersão modal (18).
A largura de banda deste tipo de fibras é de aproximadamente 40 MHz para um link de 100m,
um valor satisfatório para diversos tipos de sistema de curtas distâncias e que será utilizado neste projeto
(5).
No caso das fibras multimodo graded-index, o índice de refração diminui de forma contínua do
centro da fibra até a casca, o que resulta em um índice de refração maior no centro do núcleo e menor
nas bordas. A equação 2.2 descreve o índice de refração do núcleo em função da distância em relação ao
centro da fibra.
n = neixo[1−∆(distnciadoeixo
raiodonucleo)g], (2.2)
onde g é o expoente de perfil (para g = 2 o núcleo apresentará um comportamento parabólico e g =∞
indica o ponto que o núcleo acaba) e
∆ indica a diferença do índice de refração do centro do núcleo e da casca (5).
Desta forma, a luz se propagará mais lentamente no núcleo e mais rapidamente nas bordas, o
que resulta em trajetórias curvas (para g=2, por exemplo) e tempos de propagação praticamente iguais
para diferentes caminhos, diminuindo a dispersão modal. Por este motivo, esta fibra é bastante utilizada
em redes locais de comunicação (5).
A Figura 2.6 mostra as diferenças entres os valores do índice de refração (n) e a forma com que
a onda se propaga dentro das fibras step-index e graded-index.
Figura 2.6: Comparação entre as fibras step index e graded index (5)
2.3 Atenuação em 560nm
Em estudos sobre fibras óticas plásticas é comum encontrarmos quatro janelas de transmissão
situadas no espectro nas seguintes cores: azul (480nm), verde (520nm), amarelo/alaranjado (560-600nm)
e vermelho (650nm), como mostra a figura abaixo.
10
Figura 2.7: Janela de transmissão para fibras ópticas a base de PMMA (19)
Na Figura 2.7 podemos observar que a janela do vermelho, entre as quatro janelas comentadas é
a de maior atenuação, porém é a janela com mais equipamentos alta velocidade disponíveis no mercado.
Fontes neste comprimento de onda são fabricadas desde meados dos anos de 1970, e estudadas para
transmissão de dados a curtas distâncias desde então, o que gerou uma grande quantidade de artigos e
estudos relacionados e, consequentemente, equipamentos para a faixa de 650 nm.
A janela do verde e azul possuem uma atenuação bem menor que a do vermelho, porém a escassez
de equipamentos para estas faixas de comprimento de onda é considerável, o que torna seu estudo mais
difícil. O uso destas faixas cresceu bastante em meados dos anos 1990, com o início da utilização de
nitrato de gálio (GaN) na produção de fontes óticas, que possibilitou seu uso em sistemas de transmissão
de dados, pois aumentou consideravelmente a eficiência e a velocidade de chaveamento. Além dessas
vantagens, podemos destacar ainda que os equipamentos cujo funcionamento se dá abaixo da faixa de
650 nm possuem as menores perdas efetivas com o aumento da temperatura do sistema.
A janela do amarelo é a que possui a menor atenuação em relação ao comprimento de onda entre
todas as janelas apresentadas, porém a dificuldade de se fabricar equipamentos nesta faixa é ainda maior
do que no caso das faixas do verde e azul, devido aos seus compostos serem difíceis de se adquirir e pelo
fato de seus compostos semicondutores não apresentarem eficiência de modulação para esse comprimento
de onda.
Com isso, o foco desse projeto fica na transmissão na segunda janela de atenuação, 560nm, que
corresponde a luz visível amarela, como mostrado na Figura 2.7. Para suprir a demanda por fontes óticas
disponíveis nesta faixa de comprimentos de onda, será proposto no Capítulo 5 uma solução alternativa
para a transmissão em 560nm.
Capítulo 3
Fontes de Luz
Como foi citado anteriormente, as fontes óticas são responsáveis pela transmissão de um sinal
luminoso para um meio guiado. Uma fonte ideal deve ter boa potência de transmissão, não alterar o
comprimento de onda por variação de temperatura e ter um bom acoplamento de feixe à fibra (20).
Este capítulo apresenta a teoria de fontes óticas. Serão descritos os tipos de fontes, suas estruturas,
propriedades e características.
Será feita uma comparação entre as duas fontes em questão para este projeto, um LED e um
LASER, que servirão como fonte de bombeio de luz. Suas vantagens, desvantagens e aplicações aos
Sistemas de Telecomunicações serão apresentadas, para que se possa ter um bom entendimento do uso
de cada uma.
Em seguida, este capítulo apresentará os conceitos de fluorescência e de fibras fluorescentes
(FPOFs). A partir disso, será demonstrado o processo de conversão de comprimento de onda da luz,
para o desenvolvimento de uma fonte de 560nm (amarela), que é o objetivo deste projeto.
3.1 Emissão Estimulada (LASER)
Um LASER consiste de uma cavidade de elétrons, que, quando estimulados, trocam de uma
camada para outra emitindo um fóton de luz. Essa cavidade é limitada nas duas extremidades por
espelhos, e conforme os fótons vão sendo refletidos nesses espelhos, eles realimentam a cavidade, gerando
mais e mais produção de fótons, até um ganho que seja capaz de atravessar o espelho e formar um feixe
de luz.
12
Figura 3.1: Níveis de energia e emissão de fótons (34)
Essa cavidade é formada através da diferença dos índices de refração de suas camadas semicon-
dutoras, da diferença de intensidade do seu campo elétrico e dos espelhos do cristal semicondutor. (21)
Suas principais características são: alta potência, luz coerente, irradiação concentrada, monocromático,
alta velocidade. (20)
Em comparação com os LEDs, os LASERs apresentam menor largura espectral, o que facilita
a detecção do comprimento de onda, sem interferência cromática. Além disso tem um alcance maior
por emitirem em potências mais altas. por terem maior velocidade de modulação e por serem menos
suscetíveis à ruído. Pela característica coerente do seu feixe, o LASER apresenta um acoplamento melhor
com as fibras ópticas. Mas, apesar de suas inúmeras vantagens, sua implantação é mais cara e por sua
alta potência, necessita de dissipadores para evitar danos por variações de temperatura (20).
3.2 Emissão Espontânea (LED)
Os Diodos Emissores de Luz (LEDs) são caracterizados por transformarem energia elétrica em
luz através da matéria. Os diodos possuem dois pólos, anodo e catodo, e sua polarização influencia na
passagem de corrente pelo seu circuito. A luz é gerada pelo chip semicondutor quando há circulação de
corrente.
Figura 3.2: Diagrama do LED (22)
Criados em 1963, por Nick Holonyac, inicialmente na cor vermelha, os LEDs eram utilizados
apenas para sinalização, pois tinham baixa velocidade e baixa intensidade. Atualmente, com a evolução
das tecnologias dos materiais semicondutores InGaAsP, os LEDs atingem um fluxo luminoso muito maior,
chegando à 120 lumens.
13
Algumas vantagens de se usar os LEDs como fonte óptica são: longa vida útil, principalmente
pelo fato de não emitir calor; custos de implantação e manutenção reduzidos, devido à baixa complexidade
do componente; utiliza baixa voltagem, não oferecendo risco; resistência a impactos; seu feixe luminoso
não é prejudicial ao olho humano. (23)
Devido aos fatos descritos nesta Seção, o LED foi utilizado como fonte óptica para este projeto,
por ser mais barato e de mais fácil manipulação em laboratório, tanto em questão de controle de tempera-
tura, como de tensão. Conseguindo provar que essa fonte é eficiente para a criação de uma fonte amarela,
podemos partir para projetos mais complexos com LASERs. O LED que foi utilizado neste projeto não
é um LED convencional, é um LED de alta velocidade para transmissões em POF da Diemount GbmH,
cujas características serão descritas no capítulo 5.
3.3 Fibras Fluorescentes
A luminescência é a emissão de luz por alguma substância que ocorre devido a excitação de
estados eletrônicos. Esta pode ser dividida em duas categorias: a fluorescência e a fosforescência. A
fluorescência ocorre quando a emissão de luz é feita a partir de um estado excitado singleto (quando
o elétron excitado não muda a orientação do spin). Sua emissão de luz ocorre com a emissão de um
fóton, que faz com que o elétron excitado volte ao estado fundamental, ou seja, é um exemplo de emissão
estimulada. Enquanto na fosforescência, a emissão de luz ocorre quando temos um elétron em estado
excitado tripleto (quando o elétron excitado muda a orientação do spin). Neste caso, o elétron não volta
a seu estado fundamental. Esse tipo de emissão de luz dificilmente ocorre em temperatura ambiente (24).
A fibra óptica fluorescente é feita através da dopagem da fibra com corante. Atualmente são
comercializadas fibras com diferentes tipos de corantes e diversas cores. As características dessa dopagem
irão influenciar na propagação do feixe de luz dentro da fibra.
A propagação da luz dentro da fibra depende de três variáveis, são elas: tempo (t), posição (z)
e o comprimento de onda (λ). A seguir apresentamos duas equações que descrevem a evolução da luz
emitida ao longo da fibra, em função de z, e a variação da energia de excitação do elétron (N2)ao longo
do tempo.
δPp
δz = −σa(λp)N1Pp − 1c/n
δPp
δt , (1)
onde (σ)a(λp)N1Pp é o coeficiente de absorção do material no comprimento de onda da luz emitida e1c/n
δPp
δt representa a propagação do sinal emitido (25).
δN2
δt = −N2
τ − ( σe(λk
h(c/λk)ACORE)N2P + ( σa(λp)N1
h(c/λp)ACORE)Pp + ( σa(λk)
h(c/λk)ACORE)N1P , (2)
onde −N2
τ representa emissão espontânea,
( σe(λk
h(c/λk)ACORE)N2P representa a emissão estimulada,
( σa(λp)N1
h(c/λp)ACORE)Pp representa a absorção da luz emitida e
( σa(λk)h(c/λk)ACORE
)N1P representa a reabsorção da luz (25).
Essas equações nos apresentam o comportamento da luz ao longo de sua passagem pela fibra. Pela
equação (1) notamos que uma parte da luz emitida será absorvida pela fibra ao longo de z. Enquanto a
14
equação (2) nos mostra que temos dois tipos de emissão da luz, a espontânea, que depende da constante
de vida do material (τ), e a estimulada, que dependendo das propriedades da fibra (c e ACORE) irá
irradiar a luz em um comprimento de onda (k) diferente do comprimento de onda emitido (p). Outra
observação que podemos fazer é que ao longo de sua transmissão a luz é absorvida e reabsorvida pela
fibra, como mostram os dois últimos termos da equação.
Esse processo de absorção e reabsorção provoca a conversão do comprimento de onda do feixe
emitido. Dependendo de sua dopagem, o feixe pode ser absorvido em maior ou menor quantidade. Além
disso, dependendo de seu comprimento o feixe pode ser reabsorvido mais de uma vez, o que pode gerar
perda de intensidade pela conversão. Este estudo será aprofundado no Capítulo 5.
Capítulo 4
Sistemas de Comunicação para POF
Nos capítulos anteriores foram estudados os conceitos e características de fontes e fibras óticas.
Com isso, foi situado o estudo deste projeto, que é focado em fibras POF e emissão de luz por fluorescência.
Agora esses conceitos serão aplicados para Sistemas de Comunicação Ótica.
Este Capítulo fará um estudo do sistema como um todo, juntando esses conceitos para a realização
de comunicações ponto-a-ponto, ponto-a-multiponto e multiponto-a-multiponto (WDM), mostrando as
formas de aplicação e as técnicas utilizadas para o aprimoramento da comunicação.
4.1 Ponto-a-Ponto
Um sistema de Telecomunicações ponto-a-ponto (P2P) é constituído por uma fonte ótica, uma
fibra e um fotodetector. A fonte é acoplada à uma extremidade da fibra, na outra extremidade é acoplado
o fotodetector, como mostrado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Sistema Ótico ponto-a-ponto (26)
O funcionamento básico de uma comunicação ótica ponto-a-ponto consiste na conversão da in-
formação elétrica através da fonte, essa fonte fará a emissão de um feixe luminoso que será guiado pela
fibra até o ponto de destino, onde será detectado pelo fotodetector e convertido novamente para sinal
elétrico.
Como foi apresentado no Capítulo 2, as fibras óticas plásticas possuem um núcleo mais espesso
do que as de vidro, não sendo vantajosas para comunicações de alta velocidade e de longas distâncias,
pois apresentam perdas muito elevadas para comprimentos de onda acima de 1300nm.
Com isso, elas são mais aplicadas em sistemas que não necessitem de links muito longos, como
sistemas indoor e comunicação intra-veicular.
16
4.2 WDM
A multiplexação de sinais é um processo muito utilizado no setor de Telecomunicações. Esta
técnica consiste em utilizar um único meio para transmitir dois ou mais sinais ao mesmo tempo. Sua
principal vantagem é o diminuição de custos na transmissão uma vez que em apenas um meio para
diversas comunicações simultâneas. Os tipos mais utilizados de multiplexação são: TDM (Time Division
Multiplexing) - Multiplexação por Divisão de Tempo e o FDM (Frequency Division Multiplexing) -
Multiplexação por Divisão de Frequência. O equipamento que agrupa estes sinais é o multiplexador,
enquanto o demultiplexador separa os diferentes sinais para entregá-los aos seus respectivos destinos. Em
cada aplicação utiliza-se uma técnica diferente que se adeque melhor as características dos equipamentos
e as técnicas utilizadas. A técnica de multiplexação TDM, por exemplo, foi utilizada na expansão do
setor de telefonia fixa.
Na área de Comunicações Óticas, a técnica de multiplexação que melhor se aplica a tecnologia e
aos equipamentos é a WDM, a Multiplexação de Comprimento de Onda. A Figura 4.2 mostra o diagrama
em blocos do sistema de transmissão óptica utilizando multiplexação.
Figura 4.2: Diagrama básico de Comunicações Ópticas
O WDM sobre POF faz a multiplexação de ondas de luz no espectro visível. Como mostrado na
figura a seguir, cada canal será transmitido em uma cor (ou comprimento de onda), e esses canais serão
aplicados a um acoplador que fará a composição do espectro com os comprimentos de onda correspon-
dentes para então serem transmitidos pela fibra ótica.
Figura 4.3: Multiplexação em Comprimento de Onda (27)
Duas características deste tipo de multiplexação que a tornam extremamente interessante são:
os sinais trafegam de forma independente, permitindo que cada um possua uma largura de banda, um
17
formato e uma taxa de bits diferente (Figura 4.4); e a viabilidade do crescimento gradual da capacidade
dos sistemas, possibilitando o aumento no número de canais suportados através da introdução de novos
equipamentos terminais de acordo com o aumento da demanda (Figura 4.5). Porém, a grande vantagem
de sua utilização, além do baixo custo, é a possibilidade de alterar a capacidade de transmissão em cada
canal para adequá-la a necessidade atual de tráfego. (28)
Figura 4.4: Espectro de transmissão do WDM (13)
Figura 4.5: Exemplo de uma rede com WDM da AsGa (14)
Um exemplo de WDM para POF são os sistemas de telefonia celular. A interconexão entre ERBs
(Estações Rádio Base) e a Central de Comutação podem ser feita por fibras plásticas.
Capítulo 5
Experimentos com FPOFs e Resultados
Nos capítulos anteriores, foram expostas a base teórica e as necessidades das tecnologias de
Comunicações Óticas em relação a estudos das POFs, e principalmente, das FPOFs. Reforçando a
motivação e a relevância desse projeto.
Neste capítulo serão identificados os equipamentos utilizados, descritos os experimentos reali-
zados e apresentadas as configurações escolhidas para este projeto. Para a melhor compreensão dos
procedimentos e técnicas utilizados, será feito uso dos conceitos fundamentais de fibras óticas plásticas
descritos no Capítulo 2 aliados aos conceitos de fontes óticas detalhados no Capítulo 3.
Aqui serão demonstrados, tanto os experimentos e resultados do primeiro artigo “Fast wavelength
conversion to generate 560-nm fluorescence for data transmission in polymer ótical fibres” [12], publicado
em revista, quanto do segundo “An improved 560 nm fast light source using wavelength conversion by
fluorescence” [31], apresentado na 24a ICPOF, que descrevem as duas formas de montagens realizadas.
5.1 Descrição do Experimento de Criação de uma Fonte Amarela
Para realizar nossos experimentos utilizamos como fonte óptica LEDs da Diemount GbmH com
as seguintes características: 2,3 mW e 20 mA em 520 nm (verde) e 4mW e 20 mA em 470 nm (azul). Em
nossos experimentos utilizamos as duas especificações para achar a configuração que nos desse a maior
intensidade de luz em 560 nm.
A FPOF utilizada foi uma fibra step index modelo 810083 Fluorescent Amber Polystyrene vendida
pela empresa americana Industrial Fiber Optics e fabricada pela empresa francesa Saint-Gobain. Algumas
de suas características são: seu índice de refração é 1,6 e seu diâmetro é de 1mm.
5.1.1 Montagem LED + POF + FPOF
A primeira montagem realizada está representada na Figura 5.1. O conjunto comprado (LED de
bombeio acoplado à POF) foi conectado a FPOF.
19
Figura 5.1: Primeira montagem (31)
Depois disso foi feita a montagem de bancada mostrada na Figura 5.2, utilizando uma fonte de
corrente, um gerador de função, um Bias-T, a fonte ótica e um detector. Nas diversas fases do projeto
utilizamos: um fotodetector para analisar o espectro, um medidor de potências e um osciloscópio.
A fonte de corrente foi usada para alimentar a fonte ótica para gerar um feixe a partir da
corrente de alimentação. O gerador de função simula a introdução de um sinal no sistema. O bias T faz
a combinação do sinal linear da fonte de corrente com o sinal RF do gerador de função, para aplicar à
fonte ótica.
Figura 5.2: Montagem do sistema com a FPOF
Nesta configuração foi analisado o espectro do sistema com a FPOF de diversos tamanhos dife-
rentes (LFPOF ) entre 5 e 20 mm, através do espectrômetro SPLICCO em um notebook, para identificar
aquele que apresentasse a maior intensidade em 560 nm e a mínima intensidade, se possível nenhuma,
em outras faixas de frequência.
Utilizando o LED na faixa de 520 nm e para um LFPOF = 14, 3mm obtivemos um pico de
intensidade espectral considerável na faixa de 560 nm com uma pequena componente em torno de 507 nm.
Essa componente deveria estar em 520nm, pois este é o comprimento de onda nominal do LED de bombeio
usado. Essa variação de 520nm para 507nm pode ser causada pelo processo de conversão do comprimento
de onda ao longo da FPOF, após a absorção do feixe bombeado, ou uma aproximação do fabricante para
520nm, quando o comprimento real é em torno de 507nm. Observamos também que, depois de testar
diferentes LFPOF , para uma FPOF de 15,5mm o pico de potência praticamente desaparece. As Figuras
5.3 e 5.4 mostram os espectros encontrados para LFPOF = 7, 5mm e LFPOF = 14, 3mm, respectivamente.
20
Figura 5.3: Comprimento de onda x intensidade irradiada com transmissão em 520nm e LFPOF = 7, 5mm
Figura 5.4: Comprimento de onda x intensidade irradiada com transmissão em 520nm e LFPOF =
14, 3mm
Enquanto na faixa de 470 nm para um LFPOF a partir de 7,5 mm encontramos o melhor resul-
tado, picos do espectro puramente na faixa de 560 nm. Pudemos perceber que em ambas as faixas de
frequência irradiadas pelo LED a largura espectral medida foi de aproximadamente 30 nm. As Figuras
5.5 e 5.6 mostram os espectros obtidos para a faixa de 470 nm para LFPOF = 5mm e LFPOF = 9mm,
respectivamente.
Figura 5.5: Comprimento de onda x potência irradiada com transmissão em 470nm e LFPOF = 5mm
Fazendo uma comparação entre os espectros obtidos para as fontes azul e verde, percebemos
que a faixa de 520 nm se mostrou mais favorável para aplicação. Além das dificuldades encontradas no
manuseio do sistema (LED + FPOF), para o bombeio em 470 nm, levando em consideração o pequeno
valor de LFPOF para este comprimento de onda.
Além disso, fazendo uma análise entre a potência de entrada e de saída do sistema, considerando a
21
Figura 5.6: Comprimento de onda x potência irradiada com transmissão em 470nm e LFPOF = 9mm
potência de entrada como a potência bombeada pelo LED e a potência de saída como potência fluorescente
existente após a FPOF, podemos medir um valor aproximado para a eficiência de conversão externa
estática (εc). Esse valor irá retratar o valor da potência de saída dividido pela potência de entrada
quando o LED é alimentado por uma corrente contínua.
A Figura 5.7 mostra uma comparação entre as curvas de eficiência de conversão do sistema
que utiliza o LED verde (520nm) com sistema que utiliza o LED azul (470nm), com as amostras que
obtiveram a melhor conversão para a faixa de 570nm com cada LED. Percebemos que para todos os
valores de corrente testado, o LED verde teve uma maior eficiência na faixa de 570 nm, o que também
nos leva a escolher utilizar esse sistema.
Figura 5.7: Eficiência Externa Estática em 570nm para o LED verde e azul
5.1.2 Testes de transmissão de sinais
Partiremos agora para os testes deste sistema (LED+FPOF) com envio de sinais. Usaremos uma
forma de onda de senóide/pulso de período igual a 8,5 ns gerados a uma taxa de 100 kHz. O resultado
obtido foram pulsos cujo período medido ficou em torno de 10,7 ns gerando uma largura de banda na
FPOF de 52,5 MHz. Foram medidos também os valores de potência de entrada e de saída para o cálculo
22
da eficiência de conversão externa dinâmica cujo valor obtido ficou em torno de 4,7%, praticamente o
mesmo valor obtido para a eficiência estática.
A Figura 5.8 mostra a comparação entre o pulso enviado pelo LED (em preto) e o pulso obtido
depois da conversão, na saída da FPOF (em azul).
Figura 5.8: Pulso antes e depois da conversão [12]
Pode-se perceber pela figura, que o pulso emitido pelo LED é quase perfeitamente convertido pela
FPOF em um pulso fluorescente. Suas variações podem representar erros de conversão do comprimento
de onda, ocorridos pela falta de energia suficiente para ser absorvida pela fibra ou pela forma de reflexão
do feixe na fibra.
Outro teste realizado foi a transmissão de uma sequência de pulsos de 10MHz pelo sistema
montado com o LED verde e uma FPOF de 15mm acoplado a uma fibra óptica plástica de 20 m de
comprimento. A Figura 5.9 apresenta este resultado. Analisando-a percebemos que a perda de amplitude
do sinal foi de aproximadamente 25%. O que torna nosso sistema uma viável para comunicações de curtas
distâncias.
Figura 5.9: Sequência de pulsos transmitida e a sequência recebida em uma fibra óptica plástica de 20m
23
5.2 Descrição do Experimento de Aprimoramento da Fonte Ama-
rela
A outra configuração utilizada possui uma grande melhora em relação a anterior pois o LED
foi diretamente acoplado com a FPOF com auxílio de um micro refletor parabólico. O LED e a fibra
foram enviados para o laboratório da DieMount GmbH na Alemanha para que estes fossem acoplados.
A montagem consiste em um LED em chip com uma base sólida de metal refletor com um refletor
parabólico de plástico. Algumas das vantagens deste modelo são: a distância entre a base metálica e o
refletor de plástico faz com que o feixe do ângulo da luz emitida seja totalmente refletida na superfície, o
revestimento deste conjunto é desnecessário e o plástico do reflector torna esta configuração mais flexível
se comparado a uma configuração que utiliza o vidro como material refletor (32). Esta configuração é
mostrada na Figura 5.10 e a Figura 5.11 mostra sua foto real.
Figura 5.10: Diagrama da segunda montagem (31)
Figura 5.11: Montagem física
Foram preparadas cinco amostras de FPOFs com tamanhos próximos a 45 mm. Estas foram
revestidas com uma capa preta padrão de polietileno com 0,6 mm de espessura e crivadas nas duas
pontas. Em seguida, as amostras foram enviadas para o laboratório da Diemount GmbH para serem
acopladas à fonte de luz óptica.
Para fazer a análise do feixe gerado pelo conjunto fonte óptica + FPOF, foi feita a mesma
montagem de bancada mostrada na seção anterior, a saída das amostras foi acoplada a um espectrômetro
e em seguida a um medidor de potência óptico. Foram feitas, então, duas montagens para caracterizar
as amostras: espectro óptico fluorescente em função do comprimento da FPOF e a potência óptica em
torno de 560 nm em função do comprimento da FPOF, para as amostras de LFPOF= 17,8 mm; 33 mm
e 47 mm.
24
O estudo do espectro eletromagnético da luz nas frequências que estamos utilizando é importante
pois a representação espectral nos mostrará a intensidade da energia emitida no sinal de saída do sistema
montado. O que nos permitirá estudar as componentes de frequência geradas em nossas tentativas para
que alcancemos nosso objetivo de irradiar apenas a faixa de frequência de 560 nm.
Para nos ajudar nesta experiência, utilizamos um espectrômetro CCD, ou seja, um dispositivo de
carga acoplada. Esse instrumento funciona transformando impulsos luminosos em dígitos, o que gera uma
imagem digital. Isso ocorre através do efeito fotoelétrico que ocorre do feixe luminoso com a superfície
do dispositivo. A quantidade de elétrons gerados nesta interação será proporcional à intensidade do feixe
luminoso (33).
Para a análise do espectro, o LED foi alimentado com uma corrente de 35 mA. Na medição, foi
observado: a fluorescência e o pico de excitação para as faixas de frequência em torno de 560 e 520 nm.
Os resultados foram obtidos após a clivagem da fibra, sem que suas pontas fossem polidas.
Antes de apresentarmos esses resultados, é necessário explicar alguns conceitos que utilizamos nas
análises. São eles: pico de fluorescência (λpico) é a frequência com a maior intensidade de sinal medido e
a largura de fluorescência (∆λ) é o tamanho da faixa de frequência onde a intensidade medida é maior
que zero. Na Figura 5.12 apresentamos estes conceitos visualmente, como veremos no espectro.
Figura 5.12: Pico e largura de fluorescência
Na Figura 5.13 apresentamos o espectro de três amostras diferentes, onde obtivemos os seguintes
valores: para LFPOF= 17,8 mm, λpico = 559, 6 e ∆λ = 28, 4nm, enquanto para LFPOF= 47,0 mm,
λpico = 563, 0 e ∆λ = 25, 6nm. A partir desses valores, observamos que quanto maior o comprimento da
FPOF, maior será o valor do pico de fluorescência e menor será a largura de fluorescência.
25
Figura 5.13: Espectro medido para diferentes comprimentos de FPOF (31)
Um ponto importante da Figura 5.13 está na curva de LFPOF= 17,8 mm. Podemos ver que na
faixa próxima a 507 nm ainda há alguma intensidade de luz emitida, ou seja, a luz não foi totalmente
convertida. O que nos indica que para LFPOF maiores que 17,8 mm não há mais presença da luz verde
no sinal de saída do nosso sistema.
Para a medição da potência, o LED foi alimentado com corrente de 10 a 50 mA para que a
luz emitida fosse medida pelo medidor de potência com auxílio de um detector de silicone. As medições
realizadas utilizaram corrente contínua para alimentar o sistema, assim nossos resultados serão a resposta
estática do sistema. A Figura 5.14 mostra estes resultados.
Figura 5.14: Potência medida para diferentes comprimentos de FPOF (31)
26
Para analisarmos estes resultados, iremos comparar o gráfico obtido com o gráfico de potência
do LED verde mostrado na Figura 5.15.
Figura 5.15: Curvas de Potência da FPOF em relação a corrente para um LED verde (520nm) e para um
LED RC (650nm) de acordo com a temperatura de operação (5)
A Figura 5.15 mostra as curvas para o LED verde emitindo em 520 nm e para um LED de
Cavidade Ressonante (RC, da sigla em inglês) emitindo na faixa de 650 nm. Nela observamos a potência
da fluorescência em relação à corrente de acordo com a temperatura. Podemos perceber que para o LED
de cavidade ressonante em cada temperatura temos uma curva e quanto menor a temperatura, menor
será a potência. Diferentemente da resposta do LED verde, onde a relação potência x corrente pouco se
altera quando a temperatura do sistema aumenta.
Essa informação da temperatura de utilização do sistema para o LED verde é interessante, porém
não iremos utilizá-la na análise deste trabalho. Iremos comparar o resultado obtido da Figura 5.14 com
a relação potência x corrente da Figura 5.14. Nesta, percebemos que quanto maior a corrente, maior
será a potência do sistema, segundo um crescimento, aparentemente, linear. Em comparação com nossos
resultados, percebemos que há uma relação linear para potência x corrente para cada LFPOF medido.
Notamos também que em nossos resultados os valores de potência são menores do que os apresentados
na Figura 5.15. Este resultado já era esperado devido a montagem do sistema, pois há perda de potência
nas conexões, nas medições e na transmissão do sinal.
Podemos comparar também o resultado da Figura 5.14 com o resultado obtido na primeira confi-
guração apresentada no tópico 5.1.1. Ao utilizarmos uma corrente de 50mA, para a primeira experiência,
utilizando uma LFPOF de 15,5mm foi medido uma potência de 110µW (este valor de corrente foi utilizado
em cálculos para obtenção dos valores apresentados na Figura 5.7). Enquanto na segunda experiência
(Figura 5.14), para uma LFPOF de 17,8mm foi medido um valor de aproximadamente 328,5µW . O que
27
nos resultou em um ganho de potência de aproximadamente 4,8dB comparando as duas configurações.
Ainda em relação ao tópico 5.1.1, apresentamos a Figura 5.7, onde mostramos o gráfico “Eficiência
de conversão externa estática” e mostramos que o resultado obtido para a eficiência de conversão foi
de aproximadamente 3,7%. Fazendo os cálculos para os resultados obtidos na segunda configuração,
obtivemos o valor de aproximadamente 14%.
Capítulo 6
Conclusões e Trabalhos Futuros
Nos capítulos anteriores expomos todo o embasamento teórico, o foco deste projeto e os experi-
mentos já realizados, com seus resultados. Fizemos a comparação de duas montagens distintas utilizando
FPOFs, e mostramos a influência dos acoplamentos nas perdas e nas medições.
Neste capítulo final apresentaremos a conclusão deste trabalho, e, além disso, uma projeção dos
futuros trabalhos que podem ser realizados. Alguns destes já foram iniciados, mas sem sucesso suficiente
para ser adicionado a este trabalho.
Esperamos que este projeto desperte o interesse de outros alunos, como já tem ocorrido no
Laboratório de Comunicações Ópticas, trazendo importância para este estudo das FPOFs, principalmente
com aplicação em WDM.
6.1 Conclusões
Nos capítulos anteriores expomos todo o embasamento teórico, o foco deste projeto e os experi-
mentos já realizados, com seus resultados. Fizemos a comparação de duas montagens distintas utilizando
FPOFs, e mostramos a influência dos acoplamentos nas perdas e nas medições.
Neste capítulo final apresentaremos a conclusão deste trabalho, e, além disso, uma projeção dos
futuros trabalhos que podem ser realizados. Alguns destes já foram iniciados, mas sem sucesso suficiente
para ser adicionado a este trabalho.
Esperamos que este projeto desperte o interesse de outros alunos, como já tem ocorrido no
Laboratório de Comunicações Óticas, trazendo importância para este estudo das FPOFs, principalmente
com aplicação em WDM.
6.2 Trabalhos Futuros
Todo o trabalho escrito até aqui apresentou o estudo e as experiências para a realização de uma
fonte óptica emitindo luz na faixa de 560 nm utilizando um LED de bombeio verde. Muito ainda pode
ser desenvolvido neste estudo, então a partir daqui iremos descrever as idéias e práticas que idealizadas
para serem incluídas neste projeto mas que não foram concluídas.
29
A primeira etapa de continuação deste trabalho seria feita utilizando um LASER verde como
fonte óptica. O LASER seria acoplado a uma fibra fluorescente da mesma forma que o LED para que
o verde (520nm) fosse convertido em amarelo (560nm). O LED foi escolhido para os testes iniciais pois
possui materiais de preço acessível e por ser mais fácil sua manipulação.
Como apresentado na Seção 3.1, o LASER possui algumas vantagens na transmissão de sinais
ópticos em relação ao LED, como maior velocidade de modulação, ter um alcance maior devido maior
potência de transmissão e por ser menos suscetível a ruído, além de ter um feixe mais coerente que
facilita o acoplamento e diminui as suas perdas. O que torna a sua utilização muito vantajosa para
diversos sistemas de comunicações ópticas.
A idéia de progresso deste trabalho era fazer a montagem do conjunto LASER + FPOF utilizando
tamanhos diferentes para a fibra, e de posse desse conjunto analisar suas características e resultados e
compará-los ao sistema apresentado na Seção 5.2.
Os projetos de continuação foram iniciados utilizando um LASER em tentativas de reproduzir as
mesmas experiências anteriores, o LASER escolhido foi o modelo LD-520-50MG da Roithner LaserTechnik
GmbH.
Este LASER foi recentemente adquirido e está em fase de preparação para início dos experimentos.
A Figura 6.1 mostra a montagem de teste do LASER.
Figura 6.1: Foto LASER verde
Desenvolver a fonte de 560nm descrita neste trabalho representou a abertura da utilização de
partes do espectro ainda pouco exploradas em comunicações por POF. Futuramente com o LASER essa
fonte poderá ser aprimorada, alcançar maiores distâncias e maiores velocidades.
30
Referências Bibliográficas
[1] Alcântara Neto, Pedro de. História das comunicações e das telecomunicações. Disponível
em: http://www2.ee.ufpe.br/codec/Historia%20das%20comunicaes%20e%20das%20telecomunicaes_
UPE.pdf.
[2] Blog Papo físico Disponível em: http://papofisico.tumblr.com/post/32457621590/john-tyndall.
[3] Sistema de Comunicações Ópticas, Disponível em: http://www.sj.ifsc.edu.br/ saul/sistemas%
20opticos/comunicacoes%20opticas%20I.PDF.
[4] Ribeiro, José Antônio Justino. Comunicações Ópticas, 4a edição, São Paulo: Editora Érica, 2009.
[5] O. Ziemann, J. Krauser, P. E. Zamzow, W. Daum. POF Handbook: Optical Short Range Transmis-
sion Systems, 2a edição, Editora Springer, 2008.
[6] S. Abrate, R. Gaudino, G. Perrone (2013). Step-Index PMMA Fibers and Their Applications, Cur-
rent Developments in Optical Fiber Technology, Dr. Sulaiman Wadi Harun (Ed.), InTech. Dispo-
nível em: https://www.intechopen.com/books/current-developments-in-optical-fiber-technology/step-
index-pmma-fibers-and-their-applications
[7] Yang Jiang, Yangfeng Li, Yueqiao Li, Zhen Deng, Taiping Lu, Ziguang Ma, Peng Zuo, Longgui Dai,
Lu Wang, Haiqiang Jia, Wenxin Wang, Junming Zhou, Wuming Liu, and Hong Chen. Realization
of high-luminous efficiency InGaN light-emitting diodes in the ‘green gap’ range, Scientific Reports,
Junho 2015.
[8] M. Haupt; U. H. P. Fischer. WDM over POF – The inexpensive way to break through the limitation
of bandwidth of standard POF communication, Photonics Packaging, Integration, and Interconnects
VII, Janeiro 2007.
[9] M. Haupt; U. H. P. Fischer. Advanced integrated WDM System for POF Communication, Broadband
Access Communication Technologies III, Janeiro 2009.
[10] M. Jončić, R. Kruglov, M. Haupt, R. Caspary, J. Vinogradov, U. H. P. Fischer. Four-Channel
WDM Transmission Over 50-m SI-POF at 14.77 Gb/s Using DMT Modulation, IEEE Photonics
Technology Letters, vol. 26, no. 13, Maio 2014.
31
[11] P. J. Pinzón, I. P. Garcilópez, C. Vázquez. Efficient Multiplexer/Demultiplexer for Visible WDM
Transmission over SI-POF Technology, Journal of Lightwave Technology, vol. 33, no. 17, pp. 3711 -
3718, Julho 2015.
[12] Ribeiro, Ricardo; Silva, Vinicius; Barbero, Andrés; Alves, Cecília; Rodrigues, Carlos Renato. Fast
wavelength conversion to generate 560-nm fluorescence for data transmission in polymer optical
fibres, Electronic Letters, Janeiro 2015, pp 168-170, DOI: 10.1049/el.2014.3871.
[13] Frequência e comprimento de onda, Disponível em: http://alunosonline.uol.com.br/fisica/
frequencia-comprimento-onda.html.
[14] Sistema Comunicação, Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAf7ZUAE/sistema-
comunicacao-telecom-capitulo2.
[15] Fibras Ópticas, Disponível em: http://www.crq4.org.br/qv_fibrasopticas.
[16] Fibra Monomodo e Multimodo, Disponível em: http://1.bp.blogspot.com/-
ttIAg9pCZgg/Uw4cYl-x6kI/AAAAAAAAAO8/s8olCgPYvIo/s1600/Fibra-Monomodo-e-
Multimodo.jpg.
[17] Figura - Espectro eletromagnético. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis
%C3%ADvel#/media/File:Espectro_eletromagnetico-pt.svg.
[18] Li, Angelina. Graded Index or Step Index Multimode Fiber. Disponível em:
https://www.linkedin.com/pulse/graded-index-step-multimode-fiber-angelina-li. Julho, 2016.
[19] Segura, Daniel Fonseca. Estudos preliminares da preparação de fibras ópticas plásticas e
híbridos orgânicos-inorgânicos luminescentes a partir de poli (metacrilato de metila)
comercial. 2010. Disponível em: https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/ 11449/97883/se-
gura_df_me_araiq.pdf?sequence=1.
[20] Pereira, Rafael José Gonçalves. Fibras ópticas e WDM. 2008. Disponível em:
https://www.gta.ufrj.br/grad/08_1/wdm1/Emissoresereceptorespticos.html. Acesso em: 06/04/2017.
[21] Tipos de Fontes Óticas. Disponível em: http://www.linhadetransmissao.com.br/tecnica/fontes
_opticas_tipos.htm.
[22] Figura - Conhecendo o Arduino - Aula 4: Corrente, tensão, resistor e diodo emissor de
luz. Disponível em: https://www.oficinadanet.com.br/post/14953-aula-4-corrente-tensao-resistor-e-
diodo-emissor-de-luz.
[23] LED - O que é, e como funciona. Disponível em:
http://www.iar.unicamp.br/lab/luz/dicasemail/led/dica36.htm.
[24] Introdução à Fluorescência. Disponível em: https://www.maxwell.vrac.puc-
rio.br/15676/15676_3.PDF.
32
[25] J. Arrue; F. Jiménez; M. A. Illarramendi; J. Zubia; I. Ayesta; I. Bikandi; A. Berganza. Compu-
tational Analysis of the Power Spectral Shifts and Widths Along Dye-Doped Polymer
Optical Fibers. IEEE Photonics Journal, Volume 2, Número 3 em Junho de 2010.
[26] Comunicações Ópticas. Disponível em: http://slideplayer.com.br/slide/6148352/20/images/36/
COMUNICA%C3%87%C3%95ES+%C3%93PTICAS+Fibra+%C3%B3ptica+LUZ+Conversor+
Eletro/%C3%93tico+(E/O).jpg .
[27] Figura - WDM. Disponível em: http://docs14.minhateca.com.br/460576631,BR,0,0,Conteudo_12N
P2_WDM_DWDM_FSO.DOC. Acesso em: 31/03/2017.
[28] WDM. Trabalho de aluno. Disponível em: https://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/wdm.html
Acesso em: 07/04/2017.
[29] M., Francisco Apablaza. NG-WDM. 2015. Disponível em:
https://www.textoscientificos.com/redes/ng-wdm. Acesso em: 07/04/2017.
[30] Figura (Adaptado de: Furukawa Tecnologia Asga.) Disponível em:
http://www.asga.com.br/cmcops-2/. Acesso em: 07/04/2017.
[31] Ribeiro, Ricardo; Silva, Vinicius; Barbero, Andrés; Alves, Cecília. An improved 560nm fast light
source using wavelength conversion by fluorescence. The 24th International Conference on
Plastic Optical Fibers, Setembro, 2015.
[32] Lingenauer, Marion. Saathoff, Jörg. Braunschweig. Kragl, Hans. Erfurt. LEDs in the spotlight
LASER+PHOTONIK, Setembro, 2004.
[33] Santos, Carlos Alberto dos. Um Nobel tardio Revista Ciência Hoje, Outubro, 2009.
[34] Debom, Camila Riegel. Figura (A Astronomia e os espectros – uma outra perspectiva da luz)
http://www.if.ufrgs.br/cref/camiladebom/Aulas/Pages/3.html. Acesso em: 23/05/2017.