Curso básico de Fibras Óticas

Por André Carvalho - 2008

Módulo 1 - Teoria

1. Introdução

• Com o surgimento da fibra as novas tecnologias de comunicação, têm adotado as fibras óticas;

• Transmissão através de propagação de luz.

• O material de fabricação determina os comprimentos de onda e os níveis de atenuação da fibra.

• Vantagens:- Imunidade a interferências;- Mais rápido e seguro;

- Grande capacidade de transmissão;

- Ausência de ruídos;- Isolação elétrica;- Pequeno tamanho e peso.

2. Estrutura das fibras óticas

• São compostas basicamente de material dielétrico, vidro ou plástico;

• Região central denomina-se núcleo e a região que envolve o núcleo chama-se casca.

• A casca e o núcleo têm densidades diferentes;

• Essas densidades são denominadas índice de refração;

• Isso é necessário para satisfazer a condição de confinamento e propagação da luz;

• As fibras aqui abordadas são constituídas de Sílica.

• A fibra pode ter casca simples ou dupla, sendo esta a melhor, já que tem maior confinamento e menor perda.

3. Princípio de propagação

• Os raios de luz que incidem na fibra sofrem várias reflexões na interface núcleo/casca.

• O que é refratado para a casca são absorvidos por ela;• A reflexão ou a refração dependem do ângulo de

incidência do raio.

4. Tipos das fibras óticas

• São classificadas a partir de suas características básicas de transmissão que dependem do índice de refração;

• Isso implica principalmente na capacidade de transmissão (largura de banda), que levará a seguinte classificação:- Fibra Multimodo Índice Degrau (ID)- Fibra Multimodo Índice Gradual (IG)- Fibra Monomodo

4.1. Fibra Multimodo Índice degrau (ID)

Simplicidade quanto à fabricação; simplicidade operacional; dimensões relativamente grandes; transmite vários feixes de luz; capacidade de transmissão baixa.

4.2. Fibra Multimodo Índice Gradual (IG)

Complexidade média quanto à fabricação; simplicidade operacional; dimensões moderadas; transmite vários feixes de luz; capacidade de transmissão média.

4.3. Fibra MonomodoComplexidade quanto à fabricação; complexidade operacional (técnicas de grande precisão para acoplamento a fontes e detetores); capacidade de transmissão extremamente superior às fibras multimodo, pois só transmite um feixe de luz.

5. Características de transmissão

5.1. Janela de transmissãoÉ o comprimento de onda para o qual a fibra foi construída para transmitir sinal luminoso.

Existem três comprimentos de onda tipicamente utilizados:* 850 mn com atenuação de 3 dB/Km* 1310 nm com atenuação de 0,4 dB/Km* 1550 nm com atenuação de 0,2 dB/Km

5.2. Abertura numérica (NA)* Define a capacidade da fibra de absorver luz;

* Quanto maior a abertura numérica, maior sua capacidade de absorver energia luminosa;

* Todo raio incidente na fibra dentro do ângulo será refletido ao longo da fibra, e os raios com ângulo de incidência maior que o ângulo de aceitação não serão refletidos totalmente.

* A abertura numérica depende diretamente das dimensões do núcleo e do material da fibra.

* Quanto menor a abertura, maior será a taxa de transmissão, como na fibra monomodo.

6. Atenuação

• Perda de potência de sinal luminoso ao longo da fibra ótica. É medida em dB/Km. Os mecanismos pelos quais ocorrem a atenuação são os seguintes:

6.1. AbsorçãoParte da energia luminosa é absorvida pelo material devido a vários fatores como: contaminação no processo de fabricação, presença de moléculas de água dissolvidas no vidro, variação na densidade do material

6.2. Espalhamento

Contribui para as perdas de transmissão, pois dispersa o fluxo dos raios. O que contribui para isso é a densidade do material da fibra e a estrutura

6.3. Curvaturas

As fibras estão sujeitas a perdas quando submetidas a curvaturas. Existem as macrocurvaturas e microcurvaturas.

7. Dispersão

• Alargamento dos pulsos transmitidos ao longo do percurso da fibra, influenciando diretamente na capacidade de transmissão, impondo uma limitação na sua capacidade de transmissão.

• Os mecanismos pelos quais ocorrem a dispersão são os seguintes:

7.1. Dispersão modalAfeta a transmissão nas fibras Multimodo e resulta do fato de cada modo de propagação, ter uma diferente velocidade.

7.2. Dispersão materialCorresponde a dispersão cromática, como cada comprimento de onda “enxerga” um valor diferente de índice de refração, logo viajam no núcleo com velocidades diferentes, provocando diferença de tempo.

7.3. Dispersão de guia de ondaTambém corresponde a dispersão cromática, mas é provocado por variações nas dimensões do núcleo e no perfil de índice de refração.

8. Propriedade das Fibras

8.1. Imunidade a interferênciasPor serem compostas de material dielétrico, elas não sofrem interferências eletromagnéticas. Por não necessitarem de blindagem metálica, podem ser instaladas junto a linhas de transmissão;

8.2. Pequena atenuaçãoAs fibras apresentam perdas muito baixas. O que reduz a complexidade e o custo do sistema.

8.3. Grande capacidade de transmissãoOs sistemas de fibras tem uma capacidade de transmissão muito superior a dos sistemas de cabos metálicos

8.4. Ausência de diafoniaAs fibras adjacentes em um cabo ótico não interferem umas nas outras por não irradiarem luz externamente.

8.5. Isolação elétrica

Ao contrário dos condutores metálicos, as fibras não tem problemas de aterramento com interfaces dos transceptores.

8.6. Pequeno tamanho e peso

As fibras ópticas tem dimensões comparáveis às de um fio de cabelo. Mesmo sendo encapsuladas, o diâmetro e o peso dos cabos óticos são bastante inferiores aos dos cabos metálicos

9. Fabricação das fibras

As fibras são compostas basicamente de vidros e plásticos. Destacando dois tipos fundamentais: Vidro de Sílica pura ou dopada, vidros multicompostos.

9.1. PreformaAs preformas consistem num bastão cilíndrico de vidro, cuja a composição material reflete a estrutura núcleo/casca. As técnicas de fabricação de preformas baseiam-se num processo de deposição de vapor químico.

9.2. Puxamento e revestimento das fibrasO puxamento e revestimento das fibras, é realizado por um equipamento chamado torre de puxamento. A preforma é fundida à 2000°C até obter uma forma de filamento. Depois disso a fibra é revestida por um material polimerizado, o acrilato.

10. Fontes de luz

Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes óticas que são freqüentemente utilizadas: LED e LASER. Cada uma oferece certas vantagens e desvantagens, e diferenciam-se entre si sob diversos aspectos:

• Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência ótica se comparados com os leds.

• Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.

• Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que proporciona menor dispersão material.

• Tipos e velocidades de modulação: os lasers têm velocidade maior que os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

• Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.

• Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à temperatura.

• Custos: os lasers são mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricação é maior.

• Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os leds. Ambos podem ser fabricados do mesmo material, de acordo com o comprimento onda desejado: * AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.* InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.

11. Detetores de luz

• Os detetores usados em comunicações de fibras óticas são fotodiodos ou fotodetetores semicondutores, que levam seus nomes apartir de sua habilidade em detectar luz.

• Os detetores semicondutores mais simples são as células solares, onde a energia luminosa incidente leva os elétrons da banda de valência para a banda de condução, gerando uma tensão.

• Os fotodetetores podem ser feitos de silício, arsenieto de gálio, germânio, fosfeto de índio, ou outros semicondutores. Sua resposta de comprimento de onda depende de sua composição.

12. Conectores óticos

• Os conectores, são dispositivos passivos que permitem realizar junções temporárias ponto a ponto entre duas fibras ou nas extremidades dos sistemas, juntando-se opticamente a fibra ao dispositivo fotoemissor ou fotodetector.

• Os polimentos mais utilizados são PC e APC.

13. Emendas

• Uma emenda constitui basicamente em uma junção permanente ou semi-permanente entre dois segmentos de fibras ópticas. Podem ser emenda por fusão ou emenda mecânica

• Ao contrário dos conectores as emendas possuem suas perdas mais baixas, tipicamente inferiores a 0,02dB.

• No caso de cabos ópticos instalados em dutos subterrâneos ou cordoalhas, as emendas são realizadas e instaladas em bastidores ou caixas de emenda ao longo da rede física. As emendas podem ser realizadas de duas formas: por fusão ou mecânica

• A perda introduzida pelas emendas constitui um importante fator a ser considerado no projeto, principalmente nos enlaces mais longos.