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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA AUTOMATIZAO INDUSTRIAL PROFESSOR VALNER BRUSAMARELO

Fibras pticas

Charles Smiderle Daniel Boff

Caxias do Sul, 26 de Novembro de 2003.

SUMRIO

1 INTRODUO 2 COMPOSIO DAS FIBRAS 3 MODOS DE PROPAGAO E TIPOS DE FIBRAS 4 CABOS PTICOS 5 EMENDAS 6 CONECTORES 7 VANTAGENS 8 DESVANTAGENS 9 UTILIZAO DAS FIBRAS PTICAS 10 METODOS DE FABRICAO DAS FIBRAS PTICAS 11 CONCLUSO 12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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1 Introduo Com a explosiva evoluo das comunicaes pticas, motivadas pela necessidade de aumento da capacidade de trfego de voz, vdeo e dados em alta velocidade, constantemente nos deparamos com novos conceitos em tecnologia de fotnica e telecomunicaes. Cada vez mais, as fibras pticas passam a fazer parte do cotidiano das pessoas, desde de aparelhos utilizados na medicina e odontologia, at sistemas militares. Com este trabalho, pretende-se transmitir conhecimentos a respeito das fibras e cabos pticos , tentando dar um enfoque mais prtico e menos terico do assunto visando um melhor compreendimento de um tpico to importante e atual. Sero observados, ao longo do trabalho, os diversos tipos de fibras e cabos pticos, as vantagens e desvantagens de suas utilizaes, equipamentos utilizados no auxlio da transmisso, bem como as emendas e conexes feitas nas fibras que, por se tratarem de pontos de concentrao de perdas, devem ser feitos com extrema preciso responsabilidade.

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2 Composio das fibras Uma fibra ptica um capilar formado por materiais dieltricos cristalinos e homogneos material (em geral, slica ou plstico), transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visvel ou infravermelho) atravs de um trajeto qualquer. A estrutura bsica desses capilares so cilindros concntricos com determinadas espessuras e com ndices de refrao tais que permitam o fenmeno da reflexo interna total que ocorre quando um feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso. O centro (miolo) da fibra chamado de ncleo e a regio externa chamada de casca. Assim para que ocorra o fenmeno da reflexo interna total necessrio que o ndice de refrao do ncleo seja maior que o ndice de refrao da casca.

figura 1 - estrutura das fibras pticas A diferena do ndice de refrao do ncleo com relao casca representada pelo perfil de ndices da fibra ptica. Essa diferena pode ser conseguida usando-se materiais dieltricos distintos (por exemplo, slica-plstico, diferentes plsticos, etc.) ou atravs de dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo, GeO2, P2O5, B2O3, etc..) na slica (SiO2). A variao de ndices de refrao pode ser feita de modo gradual ou descontnuo, originando diferentes formatos de perfil de ndices. As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de ndices de refrao implicam existncia de diferentes tipos de fibras pticas com caractersticas de transmisso, e, portanto, aplicaes distintas. Por exemplo, a capacidade de transmisso, expressa em termos de banda passante, depende essencialmente (alm de seu comprimento) da geometria e do perfil de ndices da fibra ptica. O tipo de material utilizado, por sua vez, determinante quanto s freqncias pticas suportadas e aos nveis de atenuao correspondentes. As caractersticas mecnicas das fibras pticas expressas, por exemplo, em termos dos processos de fabricao. Embora comparavelmente mais resistentes que fios de ao de mesmas dimenses, as fibras pticas costumam ter a sua estrutura bsica protegida das perturbaes mecnicas ou ambientais por encapsulamentos ou revestimentos diversos. Essa proteo inclui desde uma segunda camada coaxial de casca, servindo como estrutura fsica de suporte, at sucessivos encapsulamentos plsticos e empacotamentos, dando origem aos cabos pticos que podem conter uma ou mais fibras pticas. 3 Modos de propagao e tipos de fibras 3.1 Modos de propagao Quando tratamos a luz pela teoria ondulatria, a luz regida pelas equaes de Maxwell. Assim, se resolvermos as equaes de Maxwell para as condies (chamadas condies de contorno) da fibra, que um guia de onda, tais como dimetro do ncleo, comprimento de onda, abertura numrica, etc. encontramos um certo nmero de solues finitas. Dessa

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maneira, a luz que percorre a fibra ptica no se propaga aleatoriamente, mas canalizada em certos modos. Modo de propagao , portanto, uma onda com determinada distribuio de campo eletromagntico que satisfaz as equaes de Maxwell e que transporta uma parcela individual (mas no igual) da energia luminosa total transmitida. Esses modos podem ser entendidos e representados como sendo os possveis caminhos que a luz pode ter no interior do ncleo. Numa fibra ptica, o nmero de modos est relacionado com a freqncia normalizada V. 3.2 Tipos de fibras As fibras pticas costumam ser classificadas a partir de suas caractersticas bsicas de transmisso, ditadas essencialmente pelo perfil de ndices de refrao da fibra e pela sua habilidade em propagar um ou vrios modos de propagao. Com implicaes principalmente na capacidade de transmisso (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexes e acoplamento com fontes e detectores luminosos, resultam dessa classificao bsica os seguintes tipos de fibras pticas: - Fibra multimodo de ndice degrau - Fibra multimodo de ndice gradual - Fibra monomodo A classificao tpica das fibras pticas feita acima reflete, de maneira geral, a evoluo tecnolgica bsica em termos de capacidade de transmisso na aplicao mais importante das fibras ptica: a dos sistemas de telecomunicaes. Todavia, considerando-se o grau de sofisticao das aplicaes, possvel adotar classificaes (ou subclassificaes) especficas, envolvendo outros critrios, tais como: - Arquitetura do suporte de transmisso: o suporte de transmisso pode ser composto de uma nica fibra ou de um feixe de fibras com implicaes diversas quanto capacidade de captao de potncia luminosa, flexibilidade, s facilidades de conexo e acoplamento, s perdas de propagao e, naturalmente, s aplicaes. - Composio material: fibras com o par ncleo-casca do tipo slica-slica, slicaplstico ou plstico-plstico tm propriedades distintas quanto s facilidades operacionais e de fabricao, s perdas de transmisso, tolerncia a temperatura etc., permitindo atender a uma variedade de aplicaes. - Freqncias pticas de atenuao: esta classificao, que inclui, por exemplo, as fibras no infravermelho e as fibras no ultravioleta, reflete o desenvolvimento de fibras pticas para operar na faixa tpica (0,7 a 1,6 m) atual das aplicaes em comunicaes; esses tipos de fibras podem envolver caractersticas operacionais prprias em funo das aplicaes, bem como novos materiais na busca de um melhor desempenho em termos das perdas de transmisso. - Outros tipos de perfil de ndices: fibras monomodo com perfil de ndices diferentes dodegrau tm implicaes importantes quanto s caractersticas de transmisso; o caso, por exemplo, das fibras com disperso deslocada e as fibras com disperso plana. - Geometria ou sensibilidade polarizao: alm da seo circular tpica, as fibras monomodo podem ter um ncleo de seo elptica com implicaes importantes quanto filtragem e manuteno de polarizao; o caso, por exemplo, das fibras com polarizao mantida. 3.2.1 Fibra multimodo de ndice degrau (STEP INDEX) As fibras pticas do tipo multimodo ndice degrau (ID), foram as primeiras a surgir e so conceitualmente as mais simples, foram as pioneiras em termos de aplicaes prticas. O5

tipo de perfil de ndices e as suas dimenses relativamente grandes implicam uma relativa simplicidade quanto fabricao e facilidades operacionais: apresenta, porm, uma capacidade de transmisso bastante limitada. Constitui-se basicamente de um nico tipo de vidro para compor o ncleo, ou seja, com ndice de refrao constante. O ncleo pode ser feito de vrios materiais como plstico, vidro, etc. e com dimenses que variam de 50 a 400 m, conforme o tipo de aplicao. A casca, cuja a funo bsica de garantir a condio de guiamento da luz pode ser feita de vidro, plstico e at mesmo o prprio ar pode atuar como casca (essas fibras so chamadas de bundle). Essas fibras so limitadas quanto capacidade de transmisso. Possuem atenuao elevada (maior que 5 dB/km) e pequena largura de banda (menor que 30 MHz.km) e so utilizadas em transmisso de dados em curtas distncias e iluminao.

figura 2 - fibra multimodo ndice degrau 3.2.2 Fibra multimodo de ndice gradual (GRADED INDEX) As fibras multimodo ndice gradual (IG), de conceituao e fabricao um pouco mais complexas, caracterizam-se principalmente pela sua maior capacidade de transmisso com relao s fibras multimodo ndice degrau. Desenvolvidas especialmente para as aplicaes em sistemas de telecomunicaes, as fibras multmodo IG apresentam dimenses menores que as de ndice degrau (mas suficientemente moderadas de maneira a facilitar as conexes e acoplamentos) e aberturas numricas no muito grandes, a fim de garantir uma banda passante adequada s aplicaes. Este tipo de fibra tem seu ncleo composto por vidros especiais com diferentes valores de ndice de refrao, os quais tem o objetivo de diminuir as diferenas de tempos de propagao da luz no ncleo, devido aos vrios caminhos possveis que a luz pode tomar no interior da fibra, diminuindo a disperso do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra ptica. A variao do ndice de refrao em funo do raio do ncleo obedece seguinte equao: n(r)=n1.[1-.(r/a)] onde: - n(r) o ndice de refrao do ponto r - n1 o ndice de refrao do ncleo - r a posio sobre o raio do ncleo - o coeficiente de otimizao - a diferena entre o ndice de refrao da casca e do ncleo Os materiais tipicamente empregados na fabricao dessas fibras so slica pura para a casca e slica dopada para o ncleo com dimenses tpicas de 125 e 50 m respectivamente. Essas fibras apresentam baixas atenuaes (3 dB/Km em comprimento de onda igual a 850

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nm) e capacidade de transmisso elevada. So, por esse motivo, empregadas em telecomunicaes

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