FIBRA ÓTICA
BREVE INTRODUÇÃO SOBRE ONDAS
Onda é a manifestação de um fenômeno físico no qual uma fonte perturbadora fornece energia a um sistema e essa energia desloca-se através de pontos desse sistema. Quanto a direção de propagação, temos três tipos de onda: Unidimensionais, Bidemensionais e Tridimensionais. Uma importante relação sobre ondas já sabida da Física é: v = l .f.
A Natureza da Luz: Atualmente, temos duas teorias aceitas e comprovadas experimentalmente, que explicam a natureza da luz: a teoria ondulatória e a teoria corpuscular. A teoria ondulatória é mais antiga e trata a luz como campos eletromagnéticos oscilantes propagando-se no espaço. É nessa teoria que se baseia todo o funcionamento da fibra ótica como veremos em seguida. A teoria corpuscular, mais nova, trata a luz como pacotes de energia, chamados fótons. Essa, vista em Física IV aqui na FEI, não terá interesse para nós neste estudo.
Índice de Refração: É definido por: n = c/v, onde c é a velocidade da luz no vácuo e v é a velocidade da luz no meio em questão. Cabe salientar que o índice de refração depende do comprimento de onda da luz, o que nas fibras óticas irá provocar a dispersão do impulso luminoso, limitando a capacidade de transmissão de sinais.
Reflexão e Refração: Outro conceito fundamental e importante numa fibra, como veremos adiante, dado pela Lei de Snell: ni.senq i = nt.senq t.
Ângulo Crítico e Reflexão Interna Total: A Reflexão Interna Total é o mais importante conceito físico que se aplica numa fibra ótica, pois é nisto que se baseia o princípio de transmissão de todas as fibras. O ângulo crítico ocorre, quando aumentamos o ângulo de incidência de modo que o ângulo do raio refratado tende a 90°. Uma incidência com ângulo maior do que este sofre o fenômeno da Reflexão Interna Total.
FIBRAS ÓTICAS
Uma Fibra Ótica é um capilar formado por materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visível ou infravermelho) através de um trajeto qualquer. A estrutura básica desses capilares são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é chamado de núcleo e a região externa é chamada de casca. Para que ocorra o fenômeno citado é necessário que o índice de refração do núcleo seja maior que o índice de refração da casca. Os tipos básicos de fibras óticas são: Fibra de Índice Degrau, Fibra de Índice Gradual e Fibra Monomodo.
Fibra de Índice Degrau (Step Index): Primeiro tipo surgido e é o mais simples. Basicamente, constitui-se de núcleo com um único tipo de vidro, ou seja, índice de refração constante. Pode ser de vários materiais como plástico, vidro, etc. e com dimensões de 50 a 400 m m, conforme o tipo de aplicação. A casca, que tem a função básica de guiar a luz, pode ser de vidro, plástico e até mesmo o ar (essas fibras são chamadas de bundle). Essas fibras são limitadas quanto à trasmissão (Atenuação elevada - maior que 5 dB/Km e pequena largura de banda - menor que 30 MHz.Km ), por isso são utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação.
Fibra de Índice Gradual (Graded Index): Esse tipo de fibra tem seu núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de refração, os quais tem o objetivo de diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, devido aos vários caminhos possíveis que a luz pode tomar no interior da fibra, diminuindo a dispersão do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra ótica. Os materiais tipicamente empregados na fabricação dessas fibras são sílica pura para a casca e sílica dopada para o núcleo com dimensões típicas de 125 e 50 m m, respectivamente. Apresentam baixas atenuações (3dB/Km em 850 nm) e elevada capacidade de transmissão, por isso são largamente empregadas em telecomunicações.
Fibra Monomodo: Essa é diferente das anteriores pois é construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição magnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo, consequentemente diminuindo a dispersão do impulso luminoso. Para isso é preciso que o diâmetro do núcleo seja poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz usada para a transmissão (Na ordem de 2 a 10 m m - núcleo e 80 a 125 m m - casca). Também se utiliza sílica pura e dopada e possui baixa atenuação (0,7 dB/Km em 1300 nm e 0,2 dB/Km em 1550 nm) e grande largura de banda (10 a 100 GHz.Km).
GUIAMENTO DE LUZ EM FIBRAS ÓTICAS
Abertura Numérica: É um parâmetro básico para fibras multimodos (degrau e gradual).
Modos de Propagação: Resolvendo as Equações de Maxwell para as condições de contorno de uma fibra, encontraremos um certo número de soluções finitas que significa que a luz que percorre a fibra não se propaga aleatóriamente, mas é canalizada em certos modos. Portanto, Modo de Propagação é uma onda com determinada distribuição de campo eletromagnético que satisfaz as Equações de Maxwell e que transporta uma parcela individual (mas não igual) da energia luminosa total transmitida.
PROPRIEDADES DAS FIBRAS ÓTICAS
A fibra ótica apresenta grandes vantagens comparadas aos condutores metálicos, tais como:
Aplicações das Fibras Óticas: Redes de Telecomunicações, Redes de comunicação em ferrovias, Redes de distribuição de Energia Elétrica, Redes de transmissão de radiofusão e televisão, Redes Internas Industriais, Redes de transmissão de dados e fac-símile,Equipamentos militares, Veiculos Motorizados,etc.
CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISSÃO DA FIBRA ÓTICA
Atenuação: A Atenuação ou Perda de Transmissão pode ser definida como a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao propagar-se através de um meio de transmissão. A fórmula usual para esse cálculo é: 10.log(Psaída/Pentrada). Os mecanismos de atenuação na fibra são: Absorção, Espalhamento e Deformações Mecânicas.
Absorção: Temos a Absorção Material e Absorção do íon OH- .
Espalhamento: É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções. O tipo de espalhamento mais importante é o de Rayleigh, proporcional à 1/l 4.
Deformações Mecânicas: São chamadas de microcurvatura e macrocurvatura, as quais ocorrem ao longo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma durante a confecção e intalação do cabo.
Existem três comprimentos de onda tipicamente utilizados para transmissão em fibras óticas:
Dispersão: É uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos. Os mecanismos básicos são: Modal: Existente em fibras multimodo, provocada pelos caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Cromática: Depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos: Material e de Guia de Onda.
Os tipos de dispersão que predominam nas fibras são:
A dispersão total numa fibra multimodo gradual é dada por: s T2 = s M2 + s C2 , onde: s C é a dispersão cromática e s M é a dispersão material.
MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DAS FIBRAS ÓTICAS
Os materiais básicos usados na fabricação de fibras óticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras fabricadas de sílica pura ou dopada são melhores, como já citado antes, porém, todos seus processos de fabricação são complexos e caros. Por isso, foge ao alcance deste resumo explanar estes processos de fabricação, pois se tornaria inviável. Nas fibras de vidro e plástico os processos são mais simples e baratos, comparados aos de sílica. Nas fibras de vidro composto, são utilizados os métodos: Rod-In-Tube e Double Crucible (Duplo Cadinho). Nas fibras de plástico, a fabricação é feita por extrusão, o que lhe confere resistência mecânica bem maior que as fibras de sílica.
CABOS ÓTICOS
Para o projeto de cabos óticos devem ser observados os seguintes itens:
O revestimento da fibra ótica deve ser deslizante (autolubrificante). Quando o revestimento primário (mais interno) for o silicone, aplica-se uma camada de nylon que é o revestimento secundário, o externo, que protege a fibra.
CONSTRUÇÃO DE CABOS ÓTICOS
É efetuada através de várias etapas de reunião de vários elementos, aplicação de capas, enchimentos, encordoamentos em equipamentos especiais, tais como extrusoras e planetárias. Neste processo efetua-se a cordagem das fibras em torno de elementos de apoio e tração. Para se garantir uma probabilidade de longa vida para o cabo, é necessário não submeter a fibra à tensões elevadas. Para isso, são utilizados, durante a construção, elementos tensores e tubos os quais absorvem as solicitações mecânicas aplicadas no cabo. Esses elementos são muito importantes na construção do cabo, assegurando estabilidade dimensional do mesmo.
INSTALAÇÃO DE CABOS
Os Cabos óticos necessitam cuidados especiais para instalação, pois as fibras são materiais frágeis e quebradiços. Devemos observar que:
CONFECÇÃO DE EMENDAS
Existem dois tipos básicos:
Emenda por Fusão: Nesta emenda, a fibra é introduzida numa máquina, chamada máquina de fusão, limpa e clivada, para após o alinhamento apropriado, ser submetida à 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 resinas que tem 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 ótica. 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.
Emenda Mecânica: É baseado 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 contém 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 deve ser limpas e clivadas.
CONECTORES
Utilizam acoplamentos frontais ou lenticulares. Existem três tipos de acoplamentos frontais:
E existem dois tipos de acoplamentos lenticulares:
Os requisitos dos conectores são:
A qualidade de um conector é influenciada pelo seu alinhamento, sua montagem e suas características de transmissão das fibras. E, por último, existem conectores para fibra única e para várias fibras.
FONTES ÓTICAS
Para os sistemas óticos, encontramos dois tipos de fontes óticas que são utilizadas: LED e LASER. Fazendo uma análise das características destes dois tipos, fica evidente que o laser é a fonte ótica mais apropriada para utilização em circuitos óticos, pois fornece uma maior potência luminosa e uma menor largura espectral. Além disso, o feixe de luz do laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo maior eficiência de acoplamento e o laser possui menos ruído que o led.
Porém, apresenta algumas desvantagens como: maior sensibilidade à temperatura, maior custo, vida útil bem menor (cerca de 10 vezes menos) e necessidade de circuitos mais complexos para manter uma boa linearidade.