Fundamentos da Fibra Óptica: Estrutura, Funcionamento e Atenuação

1. Componentes e Funcionamento da Fibra Óptica

A fibra é uma haste de luz que transporta dados através de pulsos luminosos. Ela é composta por um núcleo (core) circundado por um revestimento (cladding).

Trata-se de uma linha muito fina de material transparente, vidro ou materiais plásticos, por onde são enviados pulsos de luz que representam os dados a serem transmitidos.

2. Índice de Refração e Velocidade da Luz

Se a luz passa através de um meio que está claro, mas mais denso, é lógico que se mova com uma velocidade mais lenta do que a velocidade da luz no vácuo.

A velocidade da luz no vácuo pode ser aproximada por:

• c = 300.000 km/s (ou 300.000.000 m/s), onde c = velocidade da luz no vácuo.

Para a nova velocidade da luz no interior do meio, pode-se resolver a equação:

Velocidade nova da luz = Velocidade da luz no vácuo

Índice de refração

Cada vertente consiste em um núcleo de plástico ou de vidro (dióxido de silício e germânio) com um alto índice de refração, rodeado por uma camada de material similar, com um índice de refração ligeiramente inferior.

Quando a luz atinge uma superfície limitada por um menor índice de refração, ela é refletida em grande parte. A maior diferença nas taxas e o maior ângulo de incidência resultam na reflexão interna total.

Seu funcionamento é baseado na transmissão do feixe de luz pelo núcleo da fibra, de modo que este não passe através do revestimento, mas reflita e se dissemine ainda mais. Isto é alcançado se o índice de refração do núcleo for maior do que o índice de refração do revestimento, e também se o ângulo de incidência exceder o ângulo limite.

3. Ângulo Crítico de Refração e Reflexão Interna Total

Um caso especial de refração ocorre quando o raio refratado viaja ao longo da fronteira entre os dois meios, sendo perpendicular à linha Normal.

Isto é conhecido como ângulo crítico de refração e é calculado da seguinte forma:

• O ângulo crítico de refração finalmente responde à nossa pergunta, classificando os feixes de luz em ângulos que afetam mais ou menos que o ângulo crítico de refração.
• Para ângulos menores, é mostrado que o feixe de luz é refratado e escapa do meio mais denso para o meio menos denso.
• Para ângulos maiores, é mostrado que a luz é refletida dentro do meio mais denso primeiro.
• Isto é conhecido como reflexão interna total e é o princípio de funcionamento de todas as fibras ópticas.

4. Atenuação na Fibra Óptica

Atenuação: Perda de potência do sinal na luz que se propaga através do meio de transmissão. Seu coeficiente se relaciona com a distância.

Tipos de Atenuação:

• Atenuação:

Espalhamento Rayleigh (Rayleigh Scattering)

Produzido por dispersão da luz pela presença de irregularidades, descontinuidades e deshomogeneidades do material, quando imperfeições são $\le \lambda$ (comprimento de onda).

• É um fenômeno inerente a todos os materiais transparentes.
• São proporcionais a $1/\lambda^4$.

Absorção do Material

É produzido pelo mecanismo de interação luz-matéria.

• Absorção intrínseca: Causada por ressonância mecânica das moléculas do vidro (retirada de energia infravermelha) e transições de bandas de estimulador eletrônico (extração de energia ultravioleta).
• Absorção extrínseca: Material produzido por impurezas, como íons metálicos de transição.

Atenuação Linear Dispersiva

Acoplamento de modos diferentes de distribuição.

• Também produzido por tensões e curvaturas extremas.

Atenuação Dispersiva Não-linear

Fenômeno complexo que envolve o aparecimento de modos maiores (geração de frequências diferentes, superiores).

• Chamado de emissão estimulada de Raman e Brillouin, é usado em amplificadores ópticos.
• Exige potências relativamente grandes.

5. Dispersão em Fibras

Dependendo do tipo de índice de refração do núcleo, temos dois tipos de fibra multimodo:

• Índice degrau (Step Index): Neste tipo de fibra, o núcleo tem um índice de refração constante em toda a seção cilíndrica e apresenta alta dispersão modal.
• Índice gradual (Graded Index): Enquanto neste tipo o índice de refração varia gradualmente, a dispersão modal é menor e o núcleo é composto de diferentes materiais.

A perda de energia através do meio é conhecida como atenuação, é expressa em decibéis (dB), com um valor positivo. É causada por várias razões, tais como a diminuição da largura de banda do sistema, eficiência e rapidez. O tipo de fibra multimodo tem maior perda, porque a onda de luz difusa é causada por impurezas. As principais causas de perda no meio são:

• Perdas de absorção
• Perda de Rayleigh
• Dispersão cromática
• Perdas de radiação
• Dispersão modal
• Perdas de acoplamento

6. Tipos de Fibra Óptica

Os diferentes caminhos que um feixe de luz pode tomar dentro de uma fibra são chamados de modos de propagação. De acordo com o modo de propagação, têm-se dois tipos de fibra óptica: multimodo e monomodo.

Fibra Multimodo

É aquela em que os feixes de luz podem circular em mais de um modo ou caminho. Isto significa que nem todos chegam ao mesmo tempo.

Fibra Monomodo

A fibra monomodo é uma fibra óptica na qual apenas um modo se propaga luz. Isso ocorre pela redução do diâmetro do núcleo da fibra a um tamanho (8,3 a 10 mícrons), que permite apenas um modo de propagação.

7. Métodos para Emendar Fibras Ópticas

Fusões

Consiste na união permanente das fibras pela fusão da própria união.

Emendas por Adesão

As fibras são inseridas em um mecanismo de alinhamento e depois coladas com adesivo epóxi.

Mecanismos de alinhamento:

• V-groove: Esculpido em um substrato de metal, cerâmica ou plástico.
• Baseada em três cilindros: A articulação é feita através da introdução da fibra em três tubos de alinhamento.
• Conjunto básico do tubo: A fibra é inserida em um tubo de vidro ou manga com furos perfeitamente circulares (3 mm maior que o diâmetro da fibra).
• Tipo base quadrada: A fibra é inserida em um tubo de seção quadrada, em um ângulo de forma a orientá-las para o canto.

O adesivo epóxi também serve como um elemento de ligação e é adaptado ao índice de refração.

Pode ser otimizada através da rotação de uma fibra.

São alcançadas perdas de inserção de 0,1 a 0,5 dB.

Emendas Mecânicas

Consiste em um tubo dividido horizontalmente, o fundo é uma base tipo V e o topo é plano. O espaço entre eles é preenchido com um gel adaptador, as fibras são inseridas (comprimento fixo) e depois fechado com um grampo de pressão para empurrá-las juntas.

Existem versões para conexões planas de múltiplas fibras.

Splicing Elétrico por Fusão a Arco (Arc Fusion Splicing)

Limpeza: Você deve remover todas as proteções da fibra (fibra nua) para a emenda. Alicates de corte são usados lateralmente. Depois, limpar cuidadosamente a fibra com solvente (normalmente acetona).

Splicing Elétrico por Fusão a Arco (Arc Fusion Splicing)

Alinhamento: O splicing é realizado nas faces das duas fibras, preparando-as para a fusão. Isso pode ser feito por vários métodos, dependendo do tipo de junta.

Emendas por Fusão com Chama

Segue o mesmo processo do método de fusão a arco, até a pré-fusão.

Emendas por Adesão

Você deve realizar o processo de limpeza e corte.