fibra Óptica

Fibra pticaLaboratrio de Tpicos de Fsica Experimental

Camilo Chaves

Histrico

Histrico Em 1939, H.Buchholz expressou uma idia de guiar sinais de luz atravs deum meio material e us-lo para transmisso de informaes

Apenas em 1962 sua idia foi materializada usando lasers e fibra. Hoje, a transmisso de sinais usando diodos-lasers e fibras soindispensveis.

Mas....o que so fibras-pticas?

O que so Fibras-pticas ? So filamentos de puro vidro comdimetro de um fio de cabelohumano. Quando em conjunto,formam um cabo ptico e so usadaspara transmitir sinais a longasdistncias.

Composio: Ncleo - Centro fino de vidro por onde aluz passa Camada de Refrao Material pticoao redor do ncleo que reflete a luz devolta para o ncleo Revestimento Cobertura plstica aoredor da fibra para proteg-la de danose umidade

Como funcionam ?LEI DE SNELL

Estrutura bsica

Abertura numrica da fibra

Abertura numrica da fibraFronteira ar-fibra Fronteira N1-N2

Vantagens da Fibra-pticaDimenses Reduzidas;Capacidade para transportar grandes quantidades de informaoImunidade s interferncias eletromagnticas;Matria-prima muito abundante;Segurana no sinal;Facilidade na instalao;Menos deteriorao com o tempo comparando com os fios de cobre.

Custo elevado; Fragilidade das fibras ticas sem encapsulamento Dificuldade para ramificaes Impossibilidade de alimentao remota dos repetidores Falta de padronizao dos componentes pticos Elevado custo de implantao e manuteno

Desvantagens

Demonstrao

Tipos de Fibras: Fibras Multi-Modo Neste tipo de fibra permitido que vrios raios (modos) se propaguemsimultaneamente pelo cabo. A existncia de vrios modos de propagaoprovoca a chamada disperso modal, o que limita a largura de banda. Este tipode fibra utilizada em intranets, onde as ligaes no tm mais de 2 Km

Fibras Multimodo ndice degrau

Neste cabo o ndice de refrao do centro do cabo (core) uniforme. A luz propaga-se refletindo-se na diferena dondice de refrao entre o ncleo (n1) e a camada de refrao (n2)

Fibras Multimodo ndice degrau

Fibras Multi-Modo ndice gradual

Neste cabo o ndice de refrao do ncleo decresce progressivamente do centro para a periferia, assim os raiosso continuamente defletidos para o centro da fibra, diminuindo as diferenas nos comprimentos dastrajetrias. Estas fibras podem ter uma largura de banda na ordem de 10 vezes maior que a largura permitidapela fibras step index (ndice degrau).

Fibras Multi-Modo ndice gradual

Fibras Mono-Modo

As fibras monomodo tm o ncleo com um dimetro muito menor que os cabos multimodo.Estas fibras s permitem que um nico raio (modo) se propague de cada vez. Assimconsegue-se suprimir o problema das diferenas de comprimento das trajetrias,conseguindo assim uma largura de banda elevada ( 100 a 1000 vezes a conseguida com stepindex). Estas fibras tm o preo como principal desvantagem. So utilizadas para percorrergrandes distncias.

Fibras Mono-Modo

Fibras Mono-Modo

Ideal com comprimentos de ondas de 1310 ou 1550 nm;

Comparao de Fibras-pticas

Figura 1 Fibras da Furukawa multimodo-step index

Limitaes das Fibras

Limitaes das Fibras Disperso Cromtica

Disperso Material: O ndice derefrao do material que compe afibra tem uma dependncia no-linear com o comprimento de ondatransmitido

Disperso por guia de onda: Ocorre emfuno da variao do ndice de refrao doncleo e da casca ao longo da fibra. A luzpropaga-se ento com diferentes velocidadesdurante a trajetria. A velocidade dapropagao funo do comprimento deonda e do dimetro do ncleo.

Limitaes das Fibras

Limitaes das FibrasCoeficiente de Disperso (ps/nm.km) : Significa que um pulso alargado de 1ps quando um sinal ptico de 1nm de larguraespectral percorre 1km de fibra

Para a fibra monomodo ao lado, em 1550nm, qual adisperso cromtica do sinal em pico-segundos se elapercorrer 1km ?

ps = 19 x 1550nm x 1km = 29450ps ou 29,45ns A disperso causa interferncia simblica e limita a

banda passante de transmisso

Limitaes das Fibras Disperso por Polarizao (PMD)

Limitaes das Fibras - Causas da PMD

Limitaes das Fibras Coeficiente PMD

Limitaes das Fibras

Norma Internacional

Atenuao do sinal (Perda da potncia)

Tabela 1: Valores mximos permitidos por norma

Perdas por Absoro Intrnseca

Perdas por Absoro Extrnseca

Perdas por Absoro ExtrnsecaPicos de absoro OH em 720nm, 950nm e 1390nm

Comparativo disperso e atenuao

Perdas por Espalhamento

Perdas por Curvaturas

Perdas por Microcurvaturas

Perdas mais frequentes

Rede de Fibras-pticas

Fontes de potncia luminosa para as FibrasLEDs

Comparao LED x LASER

Foto Detectores PIN

Foto Detectores APD (Avalanche PhotoDiodes)

Objetivos do experimento O feixe de um diodo laser ser acoplado em uma fibra monomodo. Osproblemas relacionados ao acoplamento do feixe sero medidos everificados

Experimentos que sero realizados: Medio do tempo de trnsito da luz e sua velocidade na fibra Medio da abertura numrica da fibra Medio da potncia relativa do laser diodo como funo da corrente paracaracterizar a energia de transio do laser-diodo e sua eficincia

Montagem A: Mdulo Diodo-Laser B: Lente Colimadora com ajuste XY C: Lente Colimadora de preciso com ajuste

fino XY, e ngulos D: Suporte da fibra E: Conector em ngulo articulado F: 100m de fibra monomodo G: Detector Foto-Diodo H: Fonte para o Laser-Diodo e leitura do

Detector O: Osciloscpio

Sequncia de Montagem

1)Prenda a fibra no mdulo D

1- Fibra cortada efendida2- Vinco do suporte3- Fixador magntico

2) Mdulo A: O suporte do laser Diodo montado em umatrilha XY de ajuste fino. Um resfriador Peltier e um termistoresto incorporados no suporte. O laser Diodo emite umapotncia mxima de 50mW3) Mdulo B: Ajuste o mdulo B (lente colimadora) para obterum feixe laser paralelo. Ajuste o mdulo A (XY) para centralizaro feixe no detector. Todos esses ajustes podem ser verificadosbuscando um sinal mximo no osciloscpio na forma de umaonda quadrada. Ajuste a corrente da fonte para o mximo semsaturar o detector. Agora pode partir para o passo 4.4) Mdulo C: Mesmo arranjo do mdulo B, mas agora com umajuste fino em todas as coordenadas e ngulos. Essa objetivatem uma distncia focal menor e garante um acoplamento idealdo laser com a fibra.5) Mdulo E: Em um conector articulado em ngulo, prenda afibra. Esse aparato permite medir a dependncia da potnciade sada com o ngulo da fibra6) Mdulo G: Detector Foto-Diodo. Conecte-o ao pr-amplificador da unidade de controle LDC01 com um cabo BNC.

Conhecimentos necessrios para montagem Para conseguir introduzir mxima potncia do laser na fibra, umadistncia focal f necessria para garantir o acoplamento do feixeGaussiano dentro de uma fibra Monomodo de ndex degrau

Acoplando o diodo-laser na fibra Separe o mdulo B e o Mdulo C a 50mm de distncia Monte o mdulo D (sem a fibra) a 10mm do mdulo C Monte a fibra no mdulo D Ligue o diodo laser com mxima corrente e modulao interna ligada Monte o detector G Se a unidade amplificadora e o osciloscpio estiverem ajustados paramxima amplificao, j deve ser possvel detectar o laser. Ajuste acorrente do laser at ver uma desaturao no osciloscpio.

O prximo passo o ajuste fino...

Ajuste fino do diodo-laser na fibra Enquanto observa a amplitude do sinal no osciloscpio, gentilmente ajuste XYe nos parafusos laterais do mdulo C. Ache o ponto de mxima amplitude.

Quando estiver no ponto de mxima amplitude, mude a distncia da fibra lente buscando aumentar ainda mais a amplificao do sinal. Reduza asensibilidade do laser-diodo se necessrio para evitar a saturao.

Se a sala estiver escura, use o carto Infra-Vermelho para observar o feixe Continue ajustando as distncias at obter com certeza o ponto de mximapotncia

Consideraes do equipamento A unidade de controle LDC-01 possui uma entrada modulada para sinais debaixa frequncia. Desta forma pode-se modular a corrente do LASER deacordo com o sinal injetado.

Experimento 1Medido o tempo de trnsito do sinal Inicialmente , no monte a fibra-ptica... Logo ver porque... Ajuste o detector para ficar alinhado com o laser-diodo Conecte o detector diretamente ao osciloscpio Para reduzir o tempo de subida do sinal, um resistor de 50 usadocomo shunt

O canal secundrio ligado na unidade de controle LCD01 paramonitorar o sinal de corrente

Experimento 1Medido o tempo de trnsito do sinal

Desconecte a fibra ptica do sistema Ajuste a curva do canal secundrio paraficar parecida com a curva A. Esse osinal da injeo de corrente.

Alinhe o sensor com o diodo. A curva B e o tempo T1 representam oatraso eletrnico do sistema sem afibra

Mea T1 com o Trigger a 50% daamplitude.


Monte a fibra ptica e ajuste para oponto de mximo

Obtenha a curva C e o tempo T2 O tempo T2 contm o tempo de atrasoeletrnico do sistema e o tempo detrnsito da luz na fibra

Valor terico esperado para cada 100mde fibra:


Mea o tempo de trnsito e determinea velocidade da luz de forma terica eexperimental

Resultados esperados com um tempode trnsito de 0,45s para 100m defibra.

Experimento 2Determinando a abertura numrica

Ajuste o sistema para o ponto demximo acoplamento de potncia

Ligue a luz modulada na unidadede controle para evitar ainterferncia da luz ambiente

Mea a intensidade do sinal entre-10 e 10 graus (ajustando o braoarticulado)

Valores normalizados esperados

Experimento 2

Porque a curva obtida no simtricaem relao ao zero?

Qual o valor da abertura numricamedida?

Qual o valor da abertura numricaterica? (Informao do fabricante:Ncore = 1.465, Nclad = 1.462)

Experimento 3 Coloque o Fotodiodo PIN a 2cm emfrente do diodo laser

A corrente do diodo laser modulada internamente.

Reduza ao mnimo a corrente dolaser e v aumentando at asaturao

Observe que existe um mnimo decorrente para obter alguma radiaoLASER. Determine a inclinao dareta.

A inclinao a chamada SLOPEEFFICIENCY do diodo Laser

fibra Óptica

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