Aula 1: Natureza Da Luz E Princípios De Propagação Da Luz
Conceito Basicos de Ondulatoria
O conceito de onda pode ser entendido ao lançarmos uma pedra em um lago... Nesse momento, podemos observar o surgimento de elevações de depressões na água, cujo deslocamento tem origem no ponto em que a pedra caiu. Podemos então definir que uma onda é uma perturbação física que se move em um meio.
Conceitos básicos de ondulatória
No diagrama abaixo é mostrada a representação matemática de uma onda, denotada por uma função senoidal.
Crista = maior valor de amplitude da onda
Depressão = menor valor de amplitude da onda
A frequência é inversamente proporcional ao período, a velocidade de propagação da onda é diretamente proporcional a frequência e ao comprimento de onda:
Todas as ondas têm um comportamento comum em situações padrões e possuem as seguintes características:
Ø Reflexão: Quando uma onda volta para a direção de onde veio, devido à batida em material reflexivo
Ø Refração: refere-se à mudança da direção das ondas, devido à entrada em outro meio. A velocidade da onda varia ao passar por um meio de índice de refração diferente. Pela equação acima, o comprimento de onda também varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora.
Ø Difração: O espalhamento de ondas. Por exemplo, quando atravessam uma fensa de tamanho equivalente a seu comprimento de onda. Ondas com baixo comprimento de onda são facilmente difratadas.
Ø Interferência: Adição ou subtração das amplitudes das ondas, que depende da fase das ondas em que ocorre a superposição.
Ø Dispersão: a separação de uma onda em outras de diferentes frequências.
Ø Vibração: Algumas ondas são produzidas através da vibração de objetos, produzindo sons. Exemplo: cordas (violão, violino, piano) ou tubos (orgão, flauta, trompete).
As ondas também podem ser classificadas segundo a direção de propagação:
· Ondas transversais são aquelas em que a vibração é perpendicular à direção de propagação da onda. Exemplos dessa condição incluem ondas em uma corda e ondas eletromagnéticas.
· Ondas logitudinais são aquelas em que a vibração ocorre na mesma direção do movimento. Um exemplo são as ondas sonoras.
Morolas na superfície de um lago são na realidade uma combinação de ondas transversais e longitudinais. Como você já deve ter observado, os pontos na superfície realizam percursos elípticos. As ondas eletromagnéticas são ondas que se formam a partir da combinação dos campos magnético e elétrico, que se propagam no espaço transportando energia. O conceito de onda eletromagnética foi postulado pelo famoso físico escocês James C. Maxwell. As ondas analisadas nos sistemas de telecomunicações são do tipo eletromagnético.
Natureza da Luz
Como as ondas de rádio, a luz também é uma onda eletromagnética e está contida no seu espectro. A luz tem velocidade c= 300.000 Km/s no espaço livre (vácuo). Em meios diferentes do espaço livre, a luz se propaga em velocidades menores. A luz costuma ser caracterizada pelo comprimento de onda e a frequência f, relacionando-se através de y = c/f, onde c é a velocidade da luz no vácuo.
A luz é uma onda eletromagnética, a qual a equação relaciona o comprimento da onda Y, a velocidade da onda V e a frequencia F. A luz é uma onda de alta frequência, portanto, de pequeno comprimento onda. A velocidade dependerá do meio que a onda se propaga. Para outros meios aluz se propaga com uma velocidade inferior. A luz visível corresponde a uma pequena parte do espectro eletromagnético entre 0,38um e 5um. De acordo com o termo “janela de transmissão”, refere-se a faixas de comprimento de onda onde operam os sistemas.
Principios básicos da Propagação da Luz em Fibras Ópticas
A fibra óptica é um capitar formado por dois materiais cristalinos e homogêneos. O material que ocupa o centro da fibra é denominado núcleo (core) e o externo que envolve a fibra é denominado casca (cladding), que possui um índice de refração menos que o núcleo para possibilitar a reflexão total e a propagação da luz na fibra conforme mosta a imagem:
- 1. O índice de refração do vidro pode ser modificado em função de sua composição. Esta modificação do índice de refração é um fator importante na construção da fibra óptica. Um raio luminoso ao passar de um meio de refração n1 para um meio de refração n2 (n1 > n2) pode ser retratado ou refletido.
- 2. O que determina se ele será refletido ou refratado é o seu ângulo de incidência em relação à normal. Para ângulos pequenos o raio será refratado e a relação entre os ângulos de incidência (a1) e refração (a2) é dada pela a lei de snell: n1.sen(a1) = n2.sen(a2)
- 3. Com o aumento de a1, existirá uma condição em que a2 será ângulo reto, n1.sen (a1) = n2.sen 90. Este ângulo a1 é denominado ângulo crítico ac e o raio luminoso passará a ser refletido de volta ao meio de incidência.
-
Assim, o núcleo de fibra com índice de refração n1 e a casca com índice de refração n2 para a condição de reflexão total ou seja, propagação de onda luminosa na fbra óptica, n1 > n2.
Perguntas
1. John Tyndall demonstrou em um experimento que um feixe luminoso poderia se propagar em um meio dielétrico. Este meio dielétrico era:
R) Jato de água
2. A grandeza que representa o número de oscilações em um período de tempo em uma onda é denominada:
R) Frequência (f)
3.O conceito que melhor define a dispersão de uma onda:
R) A separação de uma onda em outras de diferentes frequências.
4. O índice de refração do núcleo de uma fibra óptica, na condição de reflexão total:
R) É maior que o da casca.
5. O ângulo formado pela interface núcleo casca que produz um raio que fica confinado na fibra:
R)Menor ou igual ao ângulo crítico ac.
Aula 2: Fibras Ópticas
Estruturas das fibras ópticas
Uma fibra óptica é um capilar formado por dois materiais cristalinos e homogêneos. O material que ocupa o centro da fibra é denominado núcleo (core) e o externo que envolve a fibra é denominado casca, que possúi um índice de refração menor que o núcleo para possibilitar a reflexão total e a propagação da luz na fibra.
As fibras ópticas são feitas à base de vidro, com dopaagens de elementos químicos como o germânio, que altera o índice de refração. É dessa forma que conseguimos um índice de refração do núcleo (n1) maior que o da casca (n2), permitindo que o raio luminoso fique confinado no núcleo da fibra. Muitas fibras possuem uma capa protetora sobre a casca e este material que recobre é um polímero, protegendo a fibra de choques mecânicos.
Propagação luminosa das Fibras Ópticas
Para que ocorra a propagação da onda luminosa na fibra óptica, é necessário que a luz forme ângulo de incidência a1 com perpendicular à interface núcleo-casca maior que o ângulo crítico aC.
Tipos de Fibra Ópticas
As fibras ópticas, em função de sua geometria e do perfil de índices de refração do núcleo e da casca, podem ser classificadas em:
As fibras ópticas, em função de sua geometria e do perfil de índices de refração do núcleo e da casca, podem ser classificadas em:
· Fibra Óptica Multimodo índice Gradual: é uma fibra multimodo que apresenta no núcleo um índice de refração variável, diminuindo a partir do eixo central da fibra em direção à casca. A variação do índice de refração em função da posição na fibra é aproximadamente parabólica. As dimensões do núcleo são de 50 μm e da casca de 125 μm. Apresentam atenuação típica de 3 dB/km em 0,85mm e capacidade de 1 Ghz.km (em 140 Mbit/s a distância entre repetidores -18km).
Fibra Óptica Monomodo indice Degrau: é uma fibra que difere das anteriores pela pequena dimensão do núcleo. As dimensões típicas do núcleo são de 2 μm a 10 μm e 80mm a 125 μm para a casca, sendo feitas em silicia. O perfil do índice de refração pode ser em degrau ou gradual e permite a propagação de apenas um modo. Os modos múltiplos são evitados pelo fato de i diâmetro do núcleo ser poucas vezes maior que o comprimento de onda de luz incidente, permitindo apenas modos axiais. São empregadas basicamente em telecomunicações, pois possuem baixa atenuação (0,7 db/Km em 1300nm e 0,2 dB/Km em 1550nm) e grande largura de banda (10 a 100 Ghz/km). A principal desvantagem é o diminuto tamanho do núcleo, complicando o acoplamento de luz à fibra e a ligação entre fibras.
· Fibra Óptica Monomodo índice Triangular Degrau com Depressão (ou DS-Dispersion Shifted): é uma fibra monomodo que possui dimensões e índices de refração e perfil de forma a deslocar a dispersão cromática para valores mínimos, na região de 1,55 μm. Este tipo de fibra recebe o nome de fibra de dispersão deslocada ou fibra DS. É utilizada para sistemas de comunicação de longa distância.
As condições padrão para que o raio luminoso se propague na fibra são:
· Ângulo de acoplamento = 0
· Ângulo de abertura = 2/3 da NA
· Diâmetro do ponto luminoso = 2/3 do diâmetro do núcleo
Ângulo de acoplamento: O ângulo de acoplamento é definido como o ângulo entre os raios luminosos incidentes e o eixo da fibra óptica.
Ø Diâmetro do ponto luminoso: É o diâmetro da área iluminada na face da fibra óptica.
Modos de Propagação
São as múltiplas trajetórias que os raios luminosos podem percorrer dentro de uma fibra óptica. A fibra óptica pode ser analisada como um guia de onda dielétrico, onde é valida a aplicação das equações de maxwell para os campos elétrico e magnético. Sendo a luz uma onda eletromagnética, os modos de propagação são configurações distintas de campos elétricos e magnético em uma fibra óptica. O número de modos em uma fibra óptica pode veriar de 1 (fibra monomodo) até milhares de modos (fibra multimodo). O níumero de modos está relacionando com a grandeza adimensional frequência normalizada. Modos de Propagação
São as múltiplas trajetórias que os raios luminosos podem percorrer dentro de uma fibra óptica. A fibra óptica pode ser analisada como um guia de onda dielétrico, onde é valida a aplicação das equações de maxwell para os campos elétrico e magnético. Sendo a luz uma onda eletromagnética, os modos de propagação são configurações distintas de campos elétricos e magnético em uma fibra óptica. O número de modos em uma fibra óptica pode veriar de 1 (fibra monomodo) até milhares de modos (fibra multimodo). O níumero de modos está relacionando com a grandeza adimensional frequência normalizada.
É a conversão de energia luminosa em calor através da ressonância de alguns materiais que compões a fibra. Alguns materiais como a silícia pura (SiO2) possuem absorção desprezível na região da luz visível. Os ions de oxigênio são responsáveis pela absorção que cresce exponencialmente na região do ultravioleta e a vibração dos átomos do vidro em torno da sua posição de equilíbrio é responsável pela obsorção que cresce exponencialmente em direção ao infravermelho. É muito difícil obter sílica fundida com pureza absoluta. A sílica empregada contém impurezas como íons de metais que possuem linhas de absorção na região de luz visível. Este material contaminado pode causar picos de atenuação. Além dos íons metálicos, outro problema que surge é com o ion hidroxila (OH-). Sua frequência de ressonância fundamental é de 2,7 um, mas existem sobre tins de 0.95, 1.2 e 1.4 um dentro da região de baixa atenuação da fibra. Uma concentração de 1 parte por milhão (1ppm) de OH causa uma atenuação adicional de 1db/km em 0.94um, 2.5 db/km em 1.2 um e 50 db/km em 1.4 um.
As perdas por espalhamento estão divididas em três categorias:
Ø Perda por espalhamento do material: A maior contribuição é dada pelo espalhamento de Rayleigh. É causado por variações de índice de refração que ocorrem em distâncias pequenas em relação ao comprimento de luz guiada. O espalhamento de Rayleigh determina o limite mínimo de atenuação do vidro para comprimento de onda menores até o início da zona do infravermelho. É proporcional a 1/y4.
Ø Perda por espalhamento do guia de onda: Variações de diâmetro do núcleo e do perfil de índice de refração ao longo da fibra podem causar uma transferência dos modos guiados pelo núcleo para a casca, desta maneira, uma parcela da potência será perdida. Este problema é evitado durante o processo de fabricação da fibra e a experiência mostra que uma variação de diâmetro máxima de 1% assegura um espalhamento desprezível.
Ø Perda por deformações mecânicas: A utilização de fibras ópticas na prática torna inevitável as curvaturas, as quais provocam perdas de luz por irradiação. Pela ótica geom;etrica são raios refratados para a casca devido à curvatura, os quais estão mais na condição de reflexão total. As deformações são chamadas de microcurvaturas e macrocurvatura, as quais ocorrem ao longo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma durante a confecção e a instalação do cabo. As microcurvaturas aparecem quando a fibra ;e submetida à pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma superficie levemente rugosa. Essas microcurvaturas extraem parte de energia luminosa do núcleo devido aos modos de alta ordem se tornarem não guiados.
Dispersão
Quando um impulso luminoso viaja ao longo de uma fibra óptica, ele se alarga em função do comprimento da fibra percorrida. Ou seja, as fibras ópticas comportam-se como filtros passa-baixa para sinais de luz modulada e a atenuação aumenta com a frequência dos sinais modulantes, que no domínio do tempo significa alargar o pulso de saida. Este alargamento dos pulsos é causado por três efeitos principais: a dispersão do material, a dispersão modal e a dispersão do guia de onda.
Ø Dispersão do material ou cromática: um impulso luminoso, mesmo em uma fibra monomodo se alarga, e o quanto se alarga depende da composição do vidro e da largura espectral da fonte luminosa. O índice de refraçao do vidro varia com o comprimento de onda, fazendo com que diversos componentes do espectro da fonte luminosa viajem em velocidade diferentes. A dispersão do material tende a zero em comprimentos de onda de 1.3m. Assim, do pondo de vista de dispersão do material, é oportuno operar um sistema óptico perto de 1.3m, proporcionando um aumento da banda passante, pois a disperssão neste ponto é 0.
Ø Dispersão Modal: Em uma fibra multimodo existem inúmero modos de propagação, transportando potência e tendo cada um o seu caminho de propagação, e portanto, seu percurso na fibra. Numa fibra com índice de refração em degrau, não considerando a dispersão do material, todos os modos terão a mesma velocidade de propagação.
A diferença entre os tempos de percursos será, portanto, entre um modo que trafega pelo eixo da fibra que incidiu com ângulo crítico e percorreu o caminho mais longo. A potência luminosa será distribuida em vários modos de propagação e, apesar de todos partirem no mesmo instante no início da fibra, chegarão ao final em instantes diferentes devido aos diversos caminhos percorrridos, alargamente o impulsa de saida e, portanto, limitando a capacidade de transmissão.
Para a fibra índice degrau a diferença máxima entre os tempos de chegada é D T1, onde T1 é o tempo de trnasito do modo de menor ordem (no eixo da fibra) e D é a diferença percentual de índices de regração entre o núcleo e a casca. D= (n1-n2) / n1
Como a velocidade de propagação ao longo da fibra varia com o inverso do índice de refração, existe a possibilidade de compensar ou equalizar as diferenças de tempo entre os modos, variandopse o indice de refração em função do raior do núcleo. Assim, temos uma fibra gradual que possui um valor máximo no centro e que diminui radialmente em direção á casca.
Conseguimos uma velocidade de propagação menor que os modos de percurso mais curto e velocidade para os modos que percorrem o maior trajeto.
Ø Dispersão do guia de onda: A dispersão do guia de onda é a medida de dependência de velocidade de grupo dos modos individuais, das dimensões da fibra óptica e do comprimento de onda da luz usado. Como a dimensão da fibra é constante, a relação entre l e a dimensão do guia muda se o comprimento de onda mudar. Isto ocorre nas fibras monomodos e, como estas são de geometria circular, as dispersão ;e dada por diametri do núcelo (d) / comprimento de onde (y).
RESPOSTA
1. É verdadeiro afirmar sobre a fibra óptica multimodo índice gradual:
1) Tem atenuação inferior a mutimodo degrau.
2. O tipo de fibra óptica que apresenta valores de dispersão próximos de zero em 1,55 mm:
4) Monomodo DS – Dispersion Shifted.
3. Conhecendo-se o parâmetro V – Frequência normalizada, podemos dizer que o número de modos de uma fibra multimodo índice degrau em relação à fibra multimodo índice gradual é:
1) O dobro.
4. Os comprimentos de onda de 1390 nm – 1410 nm não são utilizados para a transmissão em fibras ópticas por causa de atenuação:
5) Por absorção do íon OH-.
5. O(s) comprimento(s) de onda comumente usado(s) em transmissão óptica em que a curva de dispersão tem valor zero é/são:
3) 1310 nm.
Aula 3: Cabos Ópticos
Métodos de fabricação de fibras ópticas
Os materiais básicos usuados na fabricação de fibras ópticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras ópticas fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações. Existem vários métodos de fabricação de fibas, requerendo equipamento de fabricação complexos e de grande precisão. A diferença entre eles está na etapa de fabricação da preforma (bastão que contém todas características da fibra, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda estapa de fabricação, o puxamento, é comum a todos os processos.
Existem 3 métodos de fabricação:
· IVD (Internal Vapor Deposition): É o processo de fabricação de preforma por deposição interna, sendo que o método mais conhecido é o MVCD (modificated chemical vapour deposition). O tubo de silica é que fará o papel de casca da fibra óptica, enquanto os materiais que são depositados farão o pepel do núcleo da fibra. No interior do tubo são injetados gases (cloretos do tipo sicl4, Gecl4, etc.) com concentrações controladas a fim de se obter vários indices de refração. Um queimador percorre o tubo no setido logitudinal elevando a temperatura no interior do tubo a 1500 c aproximadamente. Ocorre então a deposição de partículas submicroscópicas de vidro no interior do tubo, as quais formarão o núcleo da fibra. A cada passagem do maçarico na extensão do tubo, deposita-se uma camada de 5 a 10 mm e esse processo se repete at;e que o núcleo tenha dimensões apropriadas. Após a deposição, a temperatura do queimador é elevada para 2000 C, ocorrendo o colapso do tubo, finalizando a fabricação de preforma.
· VAD (Vapor Axial Deposition): É um processo de deposição axial onde os dopantes estão na forma gasosa, sendo depositadas na extremidade do madril, “crescendo” o material a partir do eixo do mandril.
· OVD (Outside Vapor Deposition): É um processo de deposição externa onde os dopantes são depositados sobre um mandril rodante, formando as várias camadas da fibra, incluindo a casca. Após o tubo formado, este é colocado em um forno a 1500 C, retirando-se o mandril. Após este processo, o tubo oco é aquecido a 2000 C, onde ocorre o colapso do tubo, conforme Tabini.
AS fibras são padronizadas pelo ITU-T, pelas normas da série G.65x:
ITU G.51 ITU G.652 ITU G.653 ITU G.654 ITU G.655 ITU G.656 ITU G.657
Vantagens E Desvantagens Da Fibra Óptica
A fibra óptica apresenta diversas vantagens em relação aos sistemas de telecomunicações convencionais como rádio-enlace e cabos de cobre:
- Grande largura de banda;
- Baixa atenuação;
- Ausência de diafonia;
- Grandes distâncias entre repetidores ( ~ 80 Km sem EDFA );
- Atenuação independe da largura de banda;
- Quase imune à influência do meio ambiente ( água, irradiações...);
- Imune à interferência eletromagnética;
- Não gera campos eletromagnéticos;
- Seguro em contato com condutores de alta tensão (OPGW);
- Sem problemas de aterramento, cabos não metálicos (metal free);
- Cabos leves, de diâmetro reduzido;
- Proteção contra escuta;
- Baixo custo.
CABOS ÓPTICOS
O uso de fibras ópticas gerou várias modificações nos conceitos de projeto e fabricação de cabos para telecomunicações. Nos cabos com condutores metálicos, as propriedades de transmissão do cabo eram definidas no condutor e nos elementos do cabo, além de influenciado pelos materiais isolantes empregados. Como os cabos com condutores metálicos apresentam robustez, eram pouco afetados pelas trações sofridas na fabricação e instalação.
Nas fibras ópticas, as propriedades de transmissão são intrínsecas e a fragilidade é notória.
Macrocurvaturas E Microcurvaturas
A aplicação de esforços sobre a fibra introduz um aumento da atenuação se este esforço provocar uma deformação ao longo do eixo da fibra. Esta deformação é representada por curvaturas do eixo, representadas pelas microcurvaturas e macrocurvaturas. As macrocurvaturas fazem com que parte da energia luminosa saia da fibra ocasionando perdas localizadas (pontuais) e tem raios de curvatura da ordem de alguns milímetros. Estas perdas ocorrem devido aos raios de curvatura muito reduzidos. Esta energia deixa a fibra, pois uma parte da luz incidente na interface núcleo-casca possui um ângulo maior que o ângulo limite de propagação, assim a energia é transferida do núcleo para a casca e então perdida.
As microcurvaturas, ao contrário das macrocurvaturas, ocorrem quando a fibra é pressionada transversamente, de modo a comprimi-la contra uma superfície plana levemente rugosa. Essas microcurvaturas removem os modos de elevada ordem, tornando-os não guiados. Simultaneamente, estes modos são substituídos por outros devido ao acoplamento entre eles, os quais são perdidos na próxima dobra. As perdas devido às microcurvaturas podem ser reduzidas com o aumento da abertura numérica ou reduzindo-se a relação diâmetro núcleo/diâmetro da casca.
Características Mecânicas Das Fibras:
A confiabilidade de um sistema óptico depende em parte das propriedades mecânicas das fibras, ou seja, de sua resistência mecânica e de sua resistência à fadiga em diferentes condições de trabalho.
Resistência mecânica:
A primeira impressão quando falamos de resistência mecânica de fibras ópticas é de que elas sejam extremamente frágeis. Se verificarmos o valor teórico de ruptura de uma fibra de sílicio de 125 mm de diâmetro (núcleo+casca) é de 250N aproximadamente. Este valor é válido se não forem encontradas microtrincas na superfície da fibra que fragiliza a estrutura. Os valores práticos situam-se entre 30 e 60N. A análise das provas de ruptura da fibra permite uma curva de probabilidade de falha em função da distribuição das mesmas. Esta curva é dada pela fórmula de Weibull:
F(σ,L) = 1 - e - L . N(σ)
onde F(σ,L) é a probabilidade de ruptura da fibra
N(σ) é o número de defeitos acumulados por unidade de comprimento
L é o comprimento da amostra
Envelhecimento:
O envelhecimento do vidro causado por ambiente úmido é o resultado da propagação de trincas superficiais quando uma carga é aplicada. A propagação de trincas depende da temperatura, acelerando nas altas temperaturas e caindo com a diminuição da mesma. Na figura abaixo, o gráfico representa a relação entre a tensão de trabalho (σt) e a tensão de ruptura em um ambiente inerte (σi) para diferentes tempos de vida Tv, tomando como exemplo o valor de resistência mecânica de uma fibra padrão. (σi) representa a resistência mecânica do comprimento total da fibra, ou seja, o pior valor. Para fibras de qualidade mediana, o valor de (σi) para 1 Km de fibra está em torno de 1/4 de (σi) para amostras de 1m de comprimento.
Pelo gráfico podemos ver que, para valores de (σt) menores que 20% de (σi), o efeito do envelhecimento pode ser negligenciado.
Projeto do cabo óptico:
Embora a fibra óptica seja protegida inicialmente por um revestimento primário, este não possui características mecânicas necessárias para a aplicação direta da fibra na reunião do cabo. Assim sendo, torna-se necessário proteger a fibra com um plástico extrudado. Este revestimento pode ser configurado de duas formas.
PERGUNTAS
1. O método de fabricação de fibras em que o material dopante é depositado no interior do tubo de sílica é (são):
R) MCVD
2.A fibra padrão ITU que tem dispersão mínima em 1550nm:
R) ITU-T G.653
3.O principal efeito das macrocurvaturas e microcurvaturas em fibras ópticas é:
R) Atenuação.
4. A propagação de trincas superficiais na fibra óptica devido a envelhecimento é acelerada por:
R) Umidade e temperaturas mais elevadas.
5. Abaixo são listados os tipos de estruturas de cabos.
I – Loose Tubular
III – Tight cordadas
A(s) melhor(es) estrutura(s) que se adequam a esforços longitudinais no cabo são:
R) I e II.
Aula 4: Dispositivos Optoeletrônicos
Sistemas de transmissão por fibras ópticas
Os sismtemas de transmissão por fibras necessitam de dispositivos para conversão do sinal elétrico em sinais ópticos e vice-versa, conforme tabini. Tipicamente os sistemas de transmissão por fibras são compostos por equipamentos transmissores ópticos, formados pela fonte do sinal elétrico e pela fonte e modulador óptico, que transformam o sinal elétrico em óptico, adequado para a transmissão na fibra óptica. O trajeto da fibra óptica introduz atenuação no sinal, que é regenerado por equipamentos repetidores intermediários. Na recepção, o equipamento de recepção é formado por um detector óptico e pelo regenerador do sinal elétrico. Em uma comunicação bidirecional, cada equipamento terminal possui um transmissor/receptor óptico.
Sistema típico de comunicação ópticas
As fontes e detectores ópticos são comumente denominados de dispositivos optoeletrônicos:
· Fontes Luminosas: LEDs (Light-Emitting Diodes) e LASER (Light Amplified Stimulated Emission).
· Detectores: Fotodiodo PIN (Positive-Intrinsic-Negative) e Avalanche Photo Diode (APD)
As fontes luminosas são transdutores que convertem sinais elétricos em ópticos
As fontes luminosas geram luz através de uma junção PN por um processo denominado injeção luminosa.
Semicondutores E Processos De Radiação
Os detectores ou fotodetectores são responsáveis pela conversão de sinais ópticos em elétricos, ou seja, convertem variação de potência óptica em variação de corrente elétrica. Os detectores geram uma corrente elétrica através de uma junção PN (semicondutor) em um processo oposto à injeção luminosa denominada absorção.
· Processos radioativos: Os átomos podem ser representados por diagramas de níveis de energia. Para os semicondutores, o diagrama de níveis de energia possui elétrons livres. Existe uma banda de separação ou banda proibida denominada gap de energia.
A energia que separa as bandas é dada pela equação de Planck:
Eg = H.F,
Onde:
Eg representa a energia do gap
H = costante de Planck = 6,63 x 10 – 34 J.s
F= frequência do fóton associado a troca de energia
A ideia nas fontes luminosas e detectores é favorecer os processos radioativos, ou seja, aqueles que tenham uma gama de emissões monocromáticas.
Os átomos são representados por diagramas de níveis de energia. No caso de emissão de fótons, os elétrons saem da banda e vão para a banda de valência. Na figura é mostrado o nível de Fermi (Fe), que é uma referência de energia depende do tipo de material. É mostrado também o nível intermediário de portadores (elétrons ou lacunas) livres, denominados de doadores (elétrons livres e receptores )lacunas). Os receptores e doadores são chamados também de impurezas. Na figura abaixo são representados 7 tipos de transição. A transição 5 ocorre por impurezas não desejadas como íons metálicos, ocorrendo uma fraca emissão. Na transição 6 não é emitida energia luminosa, e sim térmica. Na transição 7, o elétron recebe mais enerfia, também produzindo energia térmica. Para os fotoemissores, a ideia é favorecer os processos radioativos de 1 a 4.
· Mecanismo de emissão:
Quando um elétron sai ou é retirado de um átomo (o elétron sai da BV ), este se torna um elétron livre. E quando isto ocorre, dizemos que este elétron passou para a BC. Para o elétron saltar de uma banda para a outra deve haver absorção ou emissão de energia, ou seja, para um elétron passar da BV para a BC deve-se
fornecer energia externa ao elétron. Eg - h.f - E2 - E1
Semicondutores intrínsecos
Os semicondutores intrínsecos são materiais caracterizados por uma condutividade elétrica menor que a dos metais e crescem rapidamente com a temperatura.
A emissão de radiação é resultado da recombinação do excesso de portadores (e lacunas livres) por uma junção PN polarizada conhecida como injeção luminosa. No processo oposto, a luz entra no semicondutor reversamente polarizado criando urn par de portadores, e um fóton é absorvido.
Semicondutores com Impurezas
Os semicondutores intrínsecos podem ser modificados com a adição de pequenas quantidades de impurezas. Se for dopada com excesso de e, é produzido um semicondutor tipo n, e com excesso de lacunos, é produzido um semicondutor tipo p.
Junção PN
A junção PN é formada em uma mesma pastilha de semicondutor, uma região dopada tipo N e outra tipo P. Em equilíbrio, quando não existem tensões aplicadas ou variações de temperatura, o nível de energia de Fermi é o mesmo.
Região de depleção é a região próxima a junção onde existe uma barreira de potencial evd despovoada de portadores. É onde temos um equilíbrio de portadores.
O LED é uma junção PN que emite luz quando polarizada diretamente. Os LEDs de homojunção são formados por uma junção PN de um único material semicondutor. Os LEDs de homojunção não favorecem sua utilização em fibras ópticas, pois apenas uma pequena parte da luz emitida pode ser acoplada à fibra óptica. Para melhorar o desempenho dos LEDs foram desenvolvidos LEDs de estruturas mais complexas, com múltiplas camadas, de indice de refração diferente, denominados heterojunções ou heteroestruturas.
LASERS
LASER é uma abreviatura para Light Amplification by the Stimuiated Emission of Radiation ou Diodo Laser é uma heterojunção com uma cavidade denominada cavidade de Fabry-Perrot, que possibilita a realimentação da luz gerada, tomando possivel a emissão estimulada. A cavidade óptica ê formada pela clivagem de faces opostas do laser, que agem como espelhos planos paralelos e semitransparentes.
Se alguns fótons que são emitidos espontaneamente ficarem presos na cavidade de Fabry-Perrot devido às reflexões nas faces clivadas, cada fóton irá interagir com un elétron na banda de condução do material, induzindo este á recombinação com uma lacuna, ou seja, fazendo com que o elétron volte à banda de valência, emitindo assim um novo fóton com a mesrna energia, comprimento de onda, fase e direção do fóton que o originou. Os fótons incidentes podem estimular a emissão de outros fótons acarretando a multiplicação e a amplificação do número de fótons. gerando luz coerente.
As principais caracteristicas relevantes do LASER são a curva Potência x Corrente, tipos de modulação aplicáveis, resposta em frequência, banda de 3 dB e tempo de subida
Fotodetectores:
São transdutores respomáveis pela conversão de sinais ópticos em elétricos, ou seja, converte variação de potência óptica em variação de corrente elétrica. 0 fotodetector ou fotodiodo é uma junção pn reversamente polarizada.
PERGUNTAS
1.Os mecanismos de emissão fotônica que ocorrem no LED e no LASER são respectivamente:
R) Emissão espontânea e emissão estimulada.
2.A região de depleção em uma junção PN é aquela que:
R) É despovoada de portadores.
3.Sobre a curva característica do LED, marque as alternativas verdadeiras:
II – É linear
III – É igual ao do LASER abaixo da corrente de limiar
R) II e III.
4.O item que NÃO representa uma vantagem da utilização do LASER como fonte emissora:
R) Baixo custo.
5.O efeito “avalanche” em um fotodetector APD (Avalanche Photodiode) ocorre devido a:
R) Aplicação de um campo elétrico na região π da heteroestrutura.Aula 5: EMENDAS E Conexões
Emendas
Devido à capacidade limitada do lance do cabo (uma bobina de madeira acondiciona de 1 a 2 Km de cabo ), é necessário durante a instalação de um cabo, fazer emendas. São junções permanentes e de baixa perda. As emendas em cabos de fibras ópticas comprometem o desempenho do sistema se forem mal feitas devido
às perdas de potência óptica, diferente dos cabos metálicos onde as emendas são feitas por soldas e torções dos condutores metálicos, não requerendo mão de obra especializada.
Conectores
Os conectores ópticos são instalados nas extremidades dos cabos ópticos, ou ainda junto a um suporte (DGO-Distribuidor Geral Óptico) que fica próximo ao receptor ou transmior óptico. Para interligar dois conectores, utilizam-se luvas de conexão que pemitem o alinhamento correto. Em alguns casos, os conectores montados no transceptor conectam a fibra extema a um pequeno pedaço de fibra nua (pig-tail) ligado diretamente ao fotodetector ou fotoemissor. De modo geral, os conectores são junções com grande facilidade de manuseio, entretanto apresentam perdas maiores.
Perdas Na Conexões
As conexões por fibras feiras por emendas, como por conectorização, causam perdas do sinal de luz. Mesmo sendo pequeno valor, estas perdas devem ser consideradas, pois de acordo com o número de conexões realizadas em uma instalação, estas podem comprometer o desempenho do sistema.
Em um enlace óptico de longa distância existe um grande número de conexões, por ter que se emendar a fibra óptica, apresentando perfas inferiores a 0,5 dB. Nas extremidades dos enlaces ópticos de longa distância e em redes locais, a perda por conectores pode chegar a 1dB.
Os principais fatores de perdas nas conexões resultam de fatores intrínsecos à fibra (variação de parâmetro da fibra) e fatos extrínsecos que independem da fibra (desalinhamentos, por exemplo).
Perdas por fatores intrínsecos: Os fatores intrínsecos são aqueles inerentes às fibras ópticas. Quando as fibras são conectadas, considera-se que são exatamente iguais. Porém, quando fabricadas existe um certa tolerância em suas Especificações.
As variações a estas tolerâncias causam perdas nas conexões devido a diferença nos valores de:
· Perda por Diferentes diâmetros de núcleos
· Perda por Ovalização do Núcleo
· Perda Excentricidade do Núcleo
· Perda por Diferentes Aberturas numéricas
· Diferentes índices de refração
Perdas Por Fatores Extrínsecos:
Os fatores extrínsecos independem das características da fibra óptica e são os seguintes:
Deslocamento lateral ou axial: Perda por desalinhamento de fibra
· Separação das extremidades
· Desalinhamento Angular
· Superfícies rugosas (mal preparadas)
ddQuando o eixo axial de uma fibra não coincide com o da outra fibra a ser conectada, ocorre perda de parte do sinal luminoso. Em conexões mecânicas é necessário deixar uma separação entre uma fibra e outra a fim de se evitar desgaste por atrito. Assim, quando as fibras são unidas, existe uma separação entre estas causando uma perda por reflexão de Fresnel. Para minimizar este problema, a separação é preenchida com um fluido que tem índice de refração de valor aproximado aos núcleos da fibra a serem emendadas. As fibras mal preparadas durante o processo de clivagem (corte transversal da fibra) por apresentar rugosidades que representarão perdas na emenda.
Tipos De Emendas
· Emenda por Fusão
· Emenda Mecânica: São emendas que não sao definitivas e que não requerem baixa atenuação. Exitem vários dispositivos que alinham as fibras, colocando-as bem proximas e presas firmemente, O gap de ar existente na emenda pode ser preenchido com um líquido de índice de refração idêntico ao das fibras (index matching fluid).
Tipos De Conectores
Os conectores servem para conectar tanto fibras entre si quanto aos equipamentos optoeletrônicos. O conector também é usado no “pig-tail”. Os conectores são fabricados com diferentes tipos de materiais cerâmicos, plásticos e metálicos de alta precisão.
· Conector com ferrule: São conectores plásticos ou cerâmica, com um buraco de precisão onde é colocada a fibra. Os conectores com ferrule comerciais são o SMA (perda 0.4 dB para o merálico), o SC (Push-pull, perda de 0.1 dB) e o FC (0.35 dB).
· Conector Bicônico: Sao conectores que utilizam uma luva que aceita dois plugues cônicos. A configuração cônica alinha as fibras e protege contra desgaster na conexão/desconexão. (perda – 0,11 dB).
· Conector com lentes: São conectores que apresentam lentes nas extremidades, diminuido os efeiros de não concentricidade do núcleo e mecânica restrita.
Existem também dois tipos de acoplamentos lenticulares:
• Simétrico
· Assimétrico
Padrões De Conectores:
SMA, FC, D4, ST, BICÔNICO, SC
RESPOSTA
1.Em um enlace óptico as emendas são necessárias devido a:
R) Limitação do cabo óptico.
2. Os conectores são instalados próximos a(o):
R) Equipamentos transmissores e receptores e DGO.
3.Dos fatores listados abaixo, aquele que NÃO é um fator intrínseco:
R) Separação das extremidades.
4.Sobre a confecção emenda por FUSÃO, indique as alternativas verdadeiras:
I – A fibra é desencapada e limpa.
II – É feito um alinhamento em uma estrutura mecânica.
III – A fusão das fibras é feita através do derretimento do material que compõe a fibra.
IV – As fibras são clivadas antes de serem fundidas.
R) I, III e IV.
5. Ao se clivar uma fibra e a clivagem ficar ruim, a perda será representada pelo fator extrínseco:
R) Superfícies rugosas (mal preparadas).
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Estrutura Loose ou não aderente: neste tipo de estrutura, a fibra não é vinculada ao
revestimento e assim permite manter as características anteriores da fibra inalterados, se
forem utilizadas técnicas adequadas. As fibras não sofrem esforço transversal que dê
origem a microcurvaturas. Para não sofrerem tensões de alongamento durante a
fabricação e a instalação, as fibras devem estar com um certo excesso no tubete. O tubete
pode ser preenchido com compostos petroquímicos ou silicone, provendo proteção
adicional contra água e provendo lubrificação para os movimentos da fibra. Este tipo de
estrutura é vantajosa para cabos submetidos a tensões de alongamento, como cabos
submarinos e aéreos.
– Estrutura Tight ou aderente: nesta estrutura, o revestimento é aplicado diretamente sobre
a fibra, formando uma estrutura compacta e mais sujeita à atenuação devido ao
comportamento do material do revestimento. É mais resistente a esforços transversais
(esmagamento), sendo utilizado em vias urbanas em galeria de dutos.
Pelo apresentado anteriormente, para se garantir uma probabilidade elevada para uma longa vida
do cabo óptico é necessário não submetê-lo a tensões elevadas. Para isto, são utilizados
elementos tensores que têm a finalidade de absorver solicitações mecânicas aplicadas ao cabo
durante a fase de instalação. Estes elementos tensores devem possuir as seguintes características
principais:
a) elevado módulo de young;
b) baixo peso por unidade de comprimento;
c) tensão de deformação maior que a desejada para o cabo;
d) flexibilidade, para garantir boas qualidades de dobramento do cabo.
Estrutura Tight: nesta estrutura, as fibras estão protegidas de modo aderente e a formação do
cabo é feita com a vinculação das fibras aos elementos tensores.
– Estrutura Tight cordadas: nesta estrutura, as fibras com revestimento primário
(normalmente de silicone) recebem um revestimento secundário (de nylon) antes de
serem cordadas sobre o elemento tensor na forma de grupos ou coroas.
Figura 3 – Cabo tight com estrutura cordada
– Estrutura Tight em fitas: nesta estrutura, as fibras, com revestimento primário apenas, são
reunidas de forma compacta em fitas. Com este tipo de estrutura é possível aumentar
consideravelmente a capacidade do cabo.
Estrutura Loose: nesta estrutura, as fibras estão protegidas através de um tubete de PVC e a
formação do cabo é feita sem a vinculação das fibras aos elementos tensores.
– Estrutura Loose Tubular: nesta estrutura, as fibras com revestimento primário são
simplesmente colocadas em um tubo extrudado de plástico, e estes tubos são cordados a
um elemento tensor central. A partir desta estrutura, outras estruturas surgiram utilizando
já como revestimento secundário colocadas em tubos pláticos extrudados ou em tubos
metálicos. No caso de tubos metálicos, estes dispensam a adição de elementos tensores
adicionais.
– Estrutura Loose de fitas: esta estrutura é similar à apresentada nas estruturas aderentes,
ou seja, o cabo é composto de várias fitas reunidas e torcidas para formar o núcleo do
cabo. A grande diferença se encontra na estrutura da fita, que forma uma colméia.
As proteções externas dos cabos podem ser classificadas em duas grandes famílias: cabos com
proteções totalmente dielétricas e cabos com proteções metálicas. As capas dielétricas são feitas
com plásticos reforçados por fios sintéticos de elevado valor elástico e carga de ruptura. Os fios
sintéticos mais utilizados são as fibras de vidro e o kevlar. Para os cabos com proteção metálica, as
soluções mais utilizadas são a capa APL (Alumínio e Polietileno), capa de alumínio extrudada com
proteção plástica, fitas de aço e capa plástica, armação de fios de aço, etc.
Os cabos ópticos podem ser instalados em dutos, diretamente enterrados em leitos de rodovias,
ferrovias, em redes elétricas, em cabo de para-raios (OPGW-Optical Grouded Wired) e ainda em
rios e oceanos através de cabos submarinos.
Figura
LEDs de superfície: são LEDs de homojunções. A emissão ocorre nas superfícies e arestas do
mesmo, tornando o acoplamento ineficiente.
Figura 1-
LEDs de Borda: são LEDs de heterojunções. A potência pode ser acoplada à fibra na superfície
plana ou em uma aresta.
Figura
As principais características relevantes do LED são a curva Potência x Corrente, tipos de
modulação aplicáveis, resposta em frequência, banda de 3 dB e tempo de subida.
Curva característica: a potência óptica gerada por um LED é linearmente proporcional à corrente
de polarização direta.
Modulação Digital: neste tipo de modulação, o LED é modulado por uma fonte de corrente que
liga/desliga (ON/OFF Keying).
Figura
Modulação Analógica: neste caso, o LED requer polarização DC para manter a corrente direta
durante todo o tempo.
Figura
Resposta em frequência: o fator limitante da modulação em alta frequência é o tempo médio das
cargas se recombinarem.
VANTAGENS X DESVANTAGENS DO LED
Vantagens:
- Linearidade;
- Menos sensível à degradação gradual (maior tempo de vida);
- Menos depende à temperatura;
- Baixo custo.
Desvantagens:
- Potência óptica baixa;
- Acoplamento ineficiente;
- Maior largura de espectro;
- Emissão divergente.
Curva característica do LASER: acima da corrente de limiar Ith ocorre emissão estimulada. Com
baixas correntes (abaixo de Ith) o Laser funciona como LED.
Modulação Digital: utiliza-se uma fonte cw (continuous wave), sendo a mais utilizada em
comunicações.
A luz emitida pelo LASER possui uma estreita faixa de comprimento de onda, apresentando quase
um único comprimento de onda, diminuindo a largura espectral. A luz emitida pelo LASER é
altamente direcionada, com pequena divergência e dispersão, além da coerência, ou seja, as
ondas estão em fase. Nos diodos LASER a corrente de limiar é dependente da temperatura. Com o
aumento da temperatura, ocorre o aumento da corrente de limiar. Abaixo da corrente de limiar o
LASER se comporta como um LED com emissão em vários comprimentos de onda.
VANTAGENS X DESVANTAGENS DO LASER
Vantagens:
- Alto ganho óptico;
- Pequena largura espectral (adequado à fibra monomodo);
- Grande eficiência de acoplamento;
- Feixe coerente.
Desvantagens:
- Maior custo;
- Não linearidade;
- Depende da temperatura;
- Sensível à degradação gradual.
Fotodetector PIN: o fotodiodo PIN possui 3 camadas : P, I (intrínseca) e N. A camada I é uma
região de depleção bem larga,onde ocorre a absorção de fótons. Para aumentar a sensibilidade do
fotodiodo PIN, é integrado ao detector óptico um pré-amplificador FET (transistor de efeito de
campo). Quando um fóton incide na região de depleção e este possui energia maior ou igual à
energia do gap Eg , haverá absorção desta energia por um elétron que saltará da banda de valência
para a banda de condução, formando uma par elétron-lacuna, que através do campo elétrico na
região de depleção, fará com que este se desloque, formando uma corrente denominada
fotocorrente.
Aumentando a camada intrínseca, aumenta-se a região de absorção, aumentando assim a
sensibilidade do fotodiodo, no entanto aumenta o tempo de resposta, pois os portadores levam
mais tempo para se deslocar.
Desvantagem do fotodiodo PIN:
- Baixa sensibilidade;
- Grande tempo de resposta.
Fotodetector APD: o fotodiodo APD (Avalanche Photo Diode) possui uma região onde é aplicado
um alto campo elétrico, onde os portadores gerados são acelerados e , ao colidirem com outros
átomos, geram novos portadores (efeito avalanche). Operando em baixa polarização o APD
funciona como um PIN.
Vantagem do APD:
- Excelente linearidade;
- Alto ganho, maior sensibilidade.
Desvantagem
- Dependente da temperatura.
TÉCNICAS DE CONFECÇÃO DE EMENDAS
Existem dois tipos básicos de emendas que podem ser efetuadas:
- emenda por fusão;
- emenda mecânica.
EMENDA POR FUSÃO
Neste tipo de emenda, a fibra é desencapada, clivada, limpa e introduzida numa
máquina, chamada máquina de fusão, para, após o alinhamento apropriado, ser
submetida a um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces da fibra, o que provoca
o derretimento das fibras e a sua soldagem.
Após a fusão, a fibra é revestida por tubetes que têm a função de oferecer resistência
mecânica à emenda, protegendo-a contra fraturas e quebras. Após a proteção, a fibra
emendada é acomodada em recipientes chamados caixas de emendas. Por último, a
Clivagem é o processo de corte de ponta da fibra óptica. Fazemos um pequeno
ferimento na casca da fibra (risco), depois tracionamos a fibra e curvamos a mesma
sobre o risco, assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra. A
qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscópio.
EMENDA MECÂNICA
É baseada no alinhamento das fibras através de estruturas mecânicas. São dispositivos
dotados de travas para que a fibra não se mova no interior da emenda e contêm líquidos
entre as fibras, chamados líquidos casadores de índice de refração, que diminuem as
perdas de Fresnel (reflexão). É uma emenda de baixo custo em que as fibras também
devem ser limpas e clivadas.
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