Fibra ótica - Optical fiber

Um feixe de fibras ópticas
Equipe de fibra instalando um cabo de fibra de 432 contagens sob as ruas de Midtown Manhattan, Nova York
Um cabo de áudio de fibra óptica TOSLINK com luz vermelha brilhando em uma extremidade transmite a luz para a outra extremidade
Um gabinete de montagem em parede contendo interconexões de fibra óptica. Os cabos amarelos são fibras monomodo ; os cabos laranja e água são fibras multimodo: fibras de 50/125 µm OM2 e 50/125 µm OM3, respectivamente.

Uma fibra óptica (ou fibra em inglês britânico ) é uma fibra flexível e transparente feita de vidro trefilado ( sílica ) ou plástico com um diâmetro ligeiramente mais espesso do que o de um cabelo humano . As fibras ópticas são usadas com mais frequência como um meio de transmitir luz entre as duas extremidades da fibra e têm amplo uso em comunicações de fibra óptica , onde permitem a transmissão por distâncias mais longas e em larguras de banda mais altas (taxas de transferência de dados) do que cabos elétricos. Fibras são usadas em vez de fios de metal porque os sinais viajam ao longo deles com menos perda ; além disso, as fibras são imunes à interferência eletromagnética , um problema que afeta os fios de metal. As fibras também são usadas para iluminação e geração de imagens e muitas vezes são embrulhadas em feixes para que possam ser usadas para transportar luz ou imagens para fora de espaços confinados, como no caso de um fibroscópio . Fibras especialmente projetadas também são usadas para uma variedade de outras aplicações, algumas delas sendo sensores de fibra óptica e lasers de fibra .

As fibras ópticas normalmente incluem um núcleo rodeado por um material de revestimento transparente com um índice de refração inferior . A luz é mantida no núcleo pelo fenômeno de reflexão interna total que faz com que a fibra atue como um guia de ondas . As fibras que suportam muitos caminhos de propagação ou modos transversais são chamadas de fibras multimodo , enquanto aquelas que suportam um único modo são chamadas de fibras monomodo (SMF). As fibras multimodo geralmente têm um diâmetro de núcleo mais amplo e são usadas para links de comunicação de curta distância e para aplicações onde alta potência deve ser transmitida. As fibras monomodo são usadas para a maioria dos links de comunicação com mais de 1.000 metros (3.300 pés).

Ser capaz de unir fibras ópticas com baixa perda é importante na comunicação de fibra óptica. Isso é mais complexo do que unir fio ou cabo elétrico e envolve a clivagem cuidadosa das fibras, o alinhamento preciso dos núcleos das fibras e o acoplamento desses núcleos alinhados. Para aplicações que exigem uma conexão permanente, uma emenda por fusão é comum. Nesta técnica, um arco elétrico é usado para fundir as pontas das fibras. Outra técnica comum é uma emenda mecânica , em que as pontas das fibras são mantidas em contato por força mecânica. As conexões temporárias ou semipermanentes são feitas por meio de conectores de fibra óptica especializados .

O campo da ciência aplicada e da engenharia voltada para o projeto e aplicação de fibras ópticas é conhecido como fibra óptica . O termo foi cunhado pelo físico indiano-americano Narinder Singh Kapany , amplamente conhecido como o pai das fibras ópticas.

História

Daniel Colladon descreveu pela primeira vez esta "fonte de luz" ou "tubo de luz" em um artigo de 1842 intitulado "Sobre os reflexos de um raio de luz dentro de um fluxo de líquido parabólico". Esta ilustração particular vem de um artigo posterior de Colladon, em 1884.

Guiando a luz por refração, o princípio que torna a fibra óptica possível, foi demonstrado pela primeira vez por Daniel Colladon e Jacques Babinet em Paris no início da década de 1840. John Tyndall incluiu uma demonstração disso em suas palestras públicas em Londres , 12 anos depois. Tyndall também escreveu sobre a propriedade da reflexão interna total em um livro introdutório sobre a natureza da luz em 1870:

Quando a luz passa do ar para a água, o raio refratado é curvado para a perpendicular ... Quando o raio passa da água para o ar é curvado da perpendicular ... Se o ângulo que o raio na água envolve com a perpendicular a a superfície for maior que 48 graus, o raio não sairá da água de forma alguma: será totalmente refletido na superfície ... O ângulo que marca o limite onde começa a reflexão total é chamado de ângulo limite do meio. Para a água, esse ângulo é 48 ° 27 ′, para o vidro de sílex é 38 ° 41 ′, enquanto para um diamante é 23 ° 42 ′.

No final do século 19 e no início do século 20, a luz era guiada por hastes de vidro dobradas para iluminar as cavidades corporais. Aplicações práticas, como iluminação interna estreita durante a odontologia, surgiram no início do século XX. A transmissão de imagens por meio de tubos foi demonstrada de forma independente pelo experimentador de rádio Clarence Hansell e pelo pioneiro da televisão John Logie Baird na década de 1920. Na década de 1930, Heinrich Lamm mostrou que era possível transmitir imagens por meio de um feixe de fibras ópticas não revestidas e usá-las para exames médicos internos, mas seu trabalho foi amplamente esquecido.

Em 1953, o cientista holandês Bram van Heel  [ nl ] demonstrou pela primeira vez a transmissão de imagens através de feixes de fibras ópticas com revestimento transparente. Naquele mesmo ano, Harold Hopkins e Narinder Singh Kapany no Imperial College de Londres conseguiram fazer feixes de transmissão de imagem com mais de 10.000 fibras e, posteriormente, conseguiram a transmissão de imagem por meio de um feixe de 75 cm de comprimento que combinava vários milhares de fibras. O primeiro gastroscópio semi-flexível de fibra óptica prático foi patenteado por Basil Hirschowitz , C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss, pesquisadores da Universidade de Michigan , em 1956. No processo de desenvolvimento do gastroscópio, Curtiss produziu o primeiro vidro fibras folheadas; as fibras ópticas anteriores dependiam do ar ou de óleos e ceras pouco práticos como o material de revestimento de baixo índice.

Kapany cunhou o termo fibra óptica , escreveu um artigo de 1960 na Scientific American que apresentou o tópico a um grande público e escreveu o primeiro livro sobre o novo campo.

O primeiro sistema de transmissão de dados por fibra óptica em funcionamento foi demonstrado pelo físico alemão Manfred Börner no Telefunken Research Labs em Ulm em 1965, que foi seguido pelo primeiro pedido de patente para esta tecnologia em 1966. Em 1968, a NASA usou fibra óptica nas câmeras de televisão que foram enviados para a lua. Na época, o uso das câmeras era classificado como confidencial e os funcionários que manipulavam as câmeras tinham que ser supervisionados por alguém com autorização de segurança adequada.

Charles K. Kao e George A. Hockham da empresa britânica Standard Telephones and Cables (STC) foram os primeiros, em 1965, a promover a ideia de que a atenuação nas fibras ópticas poderia ser reduzida para menos de 20 decibéis por quilômetro (dB / km) , tornando as fibras um meio de comunicação prático. Eles propuseram que a atenuação nas fibras disponíveis na época era causada por impurezas que podiam ser removidas, e não por efeitos físicos fundamentais, como espalhamento. Eles teorizaram correta e sistematicamente as propriedades de perda de luz da fibra óptica e apontaram o material certo a ser usado para tais fibras - vidro de sílica com alta pureza. Essa descoberta rendeu a Kao o Prêmio Nobel de Física em 2009. O limite de atenuação crucial de 20 dB / km foi alcançado pela primeira vez em 1970 pelos pesquisadores Robert D. Maurer , Donald Keck , Peter C. Schultz e Frank Zimar, trabalhando para a fabricante de vidro americana Corning Obras de vidro . Eles demonstraram uma fibra com atenuação de 17 dB / km por dopagem de vidro de sílica com titânio . Alguns anos depois, eles produziram uma fibra com atenuação de apenas 4 dB / km usando dióxido de germânio como dopante central. Em 1981, a General Electric produziu lingotes de quartzo fundido que podiam ser transformados em fios de 40 km de comprimento.

Inicialmente, as fibras ópticas de alta qualidade só podiam ser fabricadas a 2 metros por segundo. O engenheiro químico Thomas Mensah ingressou na Corning em 1983 e aumentou a velocidade de fabricação para mais de 50 metros por segundo, tornando os cabos de fibra óptica mais baratos do que os tradicionais de cobre. Essas inovações inauguraram a era das telecomunicações de fibra óptica.

O centro de pesquisa italiano CSELT trabalhou com a Corning para desenvolver cabos de fibra ótica práticos, resultando no primeiro cabo de fibra ótica metropolitano implantado em Torino em 1977. O CSELT também desenvolveu uma técnica inicial de emenda de fibras óticas, chamada Springroove.

A atenuação em cabos ópticos modernos é muito menor do que em cabos elétricos de cobre, levando a conexões de fibra de longa distância com distâncias de repetidor de 70-150 quilômetros (43-93 mi). O amplificador de fibra dopada com érbio , que reduziu o custo dos sistemas de fibra de longa distância reduzindo ou eliminando repetidores ópticos-elétricos-ópticos, foi desenvolvido por duas equipes lideradas por David N. Payne da Universidade de Southampton e Emmanuel Desurvire da Bell Labs em 1986 e 1987.

O campo emergente de cristais fotônicos levou ao desenvolvimento em 1991 da fibra de cristal fotônico , que guia a luz por difração de uma estrutura periódica, ao invés de reflexão interna total. As primeiras fibras de cristal fotônico tornaram-se disponíveis comercialmente em 2000. As fibras de cristal fotônico podem transportar mais energia do que as fibras convencionais e suas propriedades dependentes do comprimento de onda podem ser manipuladas para melhorar o desempenho.

Usos

Comunicação

A fibra óptica é usada como meio para telecomunicações e redes de computadores porque é flexível e pode ser agrupada como cabos. É especialmente vantajoso para comunicações de longa distância, porque a luz infravermelha se propaga através da fibra com atenuação muito menor em comparação com a eletricidade em cabos elétricos. Isso permite que longas distâncias sejam abrangidas com poucos repetidores .

10 ou 40 Gbit / s é típico em sistemas implantados.

Através do uso de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), cada fibra pode transportar muitos canais independentes, cada um usando um comprimento de onda de luz diferente. A taxa de dados líquida (taxa de dados sem bytes de sobrecarga) por fibra é a taxa de dados por canal reduzida pela sobrecarga de FEC, multiplicada pelo número de canais (geralmente até 80 em sistemas WDM densos comerciais a partir de 2008).

Marcos de velocidade de transmissão
Encontro Marco
2006 111 Gbit / s pela NTT .
2009 100 Pbit / s · km (15,5 Tbit / s em uma única fibra de 7000 km) por Bell Labs.
2011 101 Tbit / s (370 canais a 273 Gbit / s cada) em um único núcleo.
Janeiro de 2013 Transmissão de 1,05 Pbit / s por meio de um cabo de fibra multi-core.
Junho de 2013 400 Gbit / s em um único canal usando multiplexação de momento angular orbital de 4 modos .

Para aplicações de curta distância, como uma rede em um prédio de escritórios (consulte fibra para o escritório ), o cabeamento de fibra óptica pode economizar espaço em dutos de cabos. Isso ocorre porque uma única fibra pode transportar muito mais dados do que cabos elétricos, como cabos de categoria 5 padrão , que normalmente funcionam a velocidades de 100 Mbit / s ou 1 Gbit / s.

Freqüentemente, as fibras também são usadas para conexões de curta distância entre dispositivos. Por exemplo, a maioria dos televisores de alta definição oferece uma conexão óptica de áudio digital. Isso permite o streaming de áudio sobre a luz, usando o protocolo S / PDIF em uma conexão TOSLINK óptica .

Sensores

As fibras têm muitos usos em sensoriamento remoto. Em algumas aplicações, o próprio sensor é uma fibra óptica. As fibras são usadas para canalizar a radiação para um sensor onde ela é medida. Em outros casos, a fibra é usada para conectar um sensor a um sistema de medição.

As fibras ópticas podem ser usadas como sensores para medir deformação , temperatura , pressão e outras quantidades, modificando uma fibra de modo que a propriedade sendo medida modula a intensidade , fase , polarização , comprimento de onda ou tempo de trânsito da luz na fibra. Os sensores que variam a intensidade da luz são os mais simples, uma vez que apenas uma fonte e um detector simples são necessários. Um recurso particularmente útil de tais sensores de fibra óptica é que eles podem, se necessário, fornecer detecção distribuída em distâncias de até um metro. Em contraste, medições altamente localizadas podem ser fornecidas integrando elementos sensores miniaturizados com a ponta da fibra. Estes podem ser implementados por várias tecnologias de micro e nanofabricação , de modo que não excedam o limite microscópico da ponta da fibra, permitindo aplicações como a inserção em vasos sanguíneos por meio de agulha hipodérmica.

Sensores de fibra ótica extrínseca usam um cabo de fibra ótica , normalmente um multimodo, para transmitir luz modulada de um sensor ótico sem fibra ou de um sensor eletrônico conectado a um transmissor ótico. Um grande benefício dos sensores extrínsecos é sua capacidade de alcançar lugares de outra forma inacessíveis. Um exemplo é a medição da temperatura dentro de motores a jato usando uma fibra para transmitir radiação para um pirômetro fora do motor. Sensores extrínsecos podem ser usados ​​da mesma forma para medir a temperatura interna de transformadores elétricos , onde os campos eletromagnéticos extremos presentes impossibilitam outras técnicas de medição. Sensores extrínsecos medem vibração, rotação, deslocamento, velocidade, aceleração, torque e torção. Uma versão de estado sólido do giroscópio, usando a interferência da luz, foi desenvolvida. O giroscópio de fibra óptica (FOG) não tem partes móveis e explora o efeito Sagnac para detectar a rotação mecânica.

Os usos comuns para sensores de fibra óptica incluem sistemas avançados de segurança de detecção de intrusão. A luz é transmitida ao longo de um cabo sensor de fibra óptica colocado em uma cerca, tubulação ou cabeamento de comunicação, e o sinal de retorno é monitorado e analisado quanto a distúrbios. Este sinal de retorno é processado digitalmente para detectar distúrbios e disparar um alarme se ocorrer uma intrusão.

As fibras ópticas são amplamente utilizadas como componentes de sensores químicos ópticos e biossensores ópticos .

Transmissão de energia

A fibra óptica pode ser usada para transmitir energia usando uma célula fotovoltaica para converter a luz em eletricidade. Embora este método de transmissão de energia não seja tão eficiente quanto os convencionais, é especialmente útil em situações em que é desejável não ter um condutor metálico como no caso de uso próximo a máquinas de ressonância magnética, que produzem fortes campos magnéticos. Outros exemplos são para energizar eletrônicos em elementos de antena de alta potência e dispositivos de medição usados ​​em equipamentos de transmissão de alta tensão.

Outros usos

Um frisbee iluminado por fibra óptica
A luz refletida da fibra óptica ilumina o modelo exibido
Uso de fibra óptica em uma lâmpada decorativa ou luz noturna

As fibras ópticas são usadas como guias de luz em aplicações médicas e outras, onde a luz brilhante precisa incidir sobre um alvo sem um caminho de linha de visão claro. Muitos microscópios usam fontes de luz de fibra óptica para fornecer iluminação intensa das amostras que estão sendo estudadas.

A fibra óptica também é usada em imagens ópticas. Um feixe coerente de fibras é usado, às vezes junto com lentes, para um dispositivo de imagem longo e fino chamado endoscópio , que é usado para visualizar objetos através de um pequeno orifício. Os endoscópios médicos são usados ​​para procedimentos exploratórios ou cirúrgicos minimamente invasivos. Endoscópios industriais (ver fibroscópio ou boroscópio ) são usados ​​para inspecionar qualquer coisa de difícil acesso, como o interior de um motor a jato.

Em alguns edifícios, as fibras ópticas direcionam a luz do sol do telhado para outras partes do edifício (consulte a óptica sem imagens ). Lâmpadas de fibra ótica são usadas para iluminação em aplicações decorativas, incluindo letreiros , arte , brinquedos e árvores de Natal artificiais . A fibra óptica é uma parte intrínseca do produto de construção de concreto transmissor de luz LiTraCon .

A fibra óptica também pode ser usada no monitoramento de integridade estrutural . Este tipo de sensor é capaz de detectar tensões que podem ter um impacto duradouro nas estruturas . É baseado no princípio de medição da atenuação analógica.

Na espectroscopia , feixes de fibras ópticas transmitem luz de um espectrômetro para uma substância que não pode ser colocada dentro do próprio espectrômetro, a fim de analisar sua composição. Um espectrômetro analisa as substâncias refletindo a luz através delas. Usando fibras, um espectrômetro pode ser usado para estudar objetos remotamente.

Uma fibra óptica dopada com certos elementos de terras raras , como érbio, pode ser usada como meio de ganho de um laser ou amplificador óptico . Fibras ópticas dopadas com terra rara podem ser usadas para fornecer amplificação de sinal por meio da emenda de uma seção curta de fibra dopada em uma linha de fibra óptica regular (não dopada). A fibra dopada é bombeada opticamente com um segundo comprimento de onda de laser que é acoplado à linha além da onda de sinal. Ambos os comprimentos de onda da luz são transmitidos através da fibra dopada, que transfere energia do segundo comprimento de onda da bomba para a onda do sinal. O processo que causa a amplificação é a emissão estimulada .

A fibra óptica também é amplamente explorada como meio não linear. O meio de vidro suporta uma série de interações ópticas não lineares, e os longos comprimentos de interação possíveis na fibra facilitam uma variedade de fenômenos, que são aproveitados para aplicações e investigação fundamental. Por outro lado, a não linearidade da fibra pode ter efeitos deletérios nos sinais ópticos e muitas vezes são necessárias medidas para minimizar esses efeitos indesejados.

Fibras ópticas dopadas com um deslocador de comprimento de onda coletam luz de cintilação em experimentos de física .

As miras de fibra ótica para revólveres, rifles e espingardas usam pedaços de fibra ótica para melhorar a visibilidade das marcações na mira.

Princípio da Operação

Uma visão geral dos princípios operacionais da fibra óptica

Uma fibra óptica é um guia de ondas dielétrico cilíndrico ( guia de ondas não condutor) que transmite luz ao longo de seu eixo através do processo de reflexão interna total . A fibra consiste em um núcleo envolto por uma camada de revestimento , ambas feitas de materiais dielétricos . Para confinar o sinal óptico no núcleo, o índice de refração do núcleo deve ser maior do que o do revestimento. O limite entre o núcleo e o revestimento pode ser abrupto, em fibra de índice escalonado , ou gradual, em fibra de índice graduado . A luz pode ser alimentada em fibras ópticas usando lasers ou LEDs.

A fibra é imune a interferências elétricas; não há interferência entre sinais em cabos diferentes e não há captação de ruído ambiental. As informações que viajam dentro da fibra óptica são até imunes aos pulsos eletromagnéticos gerados por dispositivos nucleares.

Os cabos de fibra não conduzem eletricidade, o que torna a fibra útil para proteger equipamentos de comunicação em ambientes de alta tensão , como instalações de geração de energia ou aplicações sujeitas a quedas de raios . O isolamento elétrico também evita problemas com loops de aterramento . Como não há eletricidade nos cabos ópticos que possam gerar faíscas, eles podem ser usados ​​em ambientes onde há presença de gases explosivos. A escuta telefônica (neste caso, escuta de fibra ) é mais difícil em comparação com as conexões elétricas.

Os cabos de fibra não são direcionados para roubo de metal . Em contraste, os sistemas de cabos de cobre usam grandes quantidades de cobre e têm sido alvos desde o boom de commodities dos anos 2000 .

Índice de refração

O índice de refração é uma forma de medir a velocidade da luz em um material. A luz viaja mais rápido no vácuo , como no espaço sideral. A velocidade da luz no vácuo é de cerca de 300.000 quilômetros (186.000 milhas) por segundo. O índice de refração de um meio é calculado dividindo a velocidade da luz no vácuo pela velocidade da luz nesse meio. O índice de refração de um vácuo é, portanto, 1, por definição. Uma fibra monomodo típica usada para telecomunicações tem um revestimento feito de sílica pura, com um índice de 1,444 a 1500 nm, e um núcleo de sílica dopada com um índice em torno de 1,4475. Quanto maior o índice de refração, mais lentamente a luz viaja nesse meio. A partir dessas informações, uma regra simples é que um sinal usando fibra óptica para comunicação viajará em torno de 200.000 quilômetros por segundo. Assim, uma chamada telefônica transportada por fibra entre Sydney e Nova York, uma distância de 16.000 quilômetros, significa que há um atraso mínimo de 80 milissegundos (cerca de um segundo) entre o momento em que um chamador fala e o outro ouve.

Reflexão interna total

Quando a luz viajando em um meio opticamente denso atinge um limite em um ângulo íngreme (maior do que o ângulo crítico para o limite), a luz é completamente refletida. Isso é chamado de reflexão interna total . Este efeito é usado em fibras ópticas para confinar a luz no núcleo. A maioria das fibras ópticas modernas é fracamente guiada , o que significa que a diferença no índice de refração entre o núcleo e o revestimento é muito pequena (normalmente menos de 1%). A luz viaja através do núcleo da fibra, refletindo para frente e para trás fora do limite entre o núcleo e o revestimento.

Como a luz deve atingir a fronteira com um ângulo maior do que o ângulo crítico, apenas a luz que entra na fibra dentro de uma certa faixa de ângulos pode viajar pela fibra sem vazar. Essa faixa de ângulos é chamada de cone de aceitação da fibra. Existe um ângulo máximo do eixo da fibra no qual a luz pode entrar na fibra de modo que se propague, ou viaje, no núcleo da fibra. O seno deste ângulo máximo é a abertura numérica (NA) da fibra. A fibra com um NA maior requer menos precisão para emendar e trabalhar do que a fibra com um NA menor. O tamanho deste cone de aceitação é uma função da diferença do índice de refração entre o núcleo da fibra e o revestimento. A fibra monomodo tem um pequeno NA.

Fibra multimodo

A propagação da luz através de uma fibra óptica multimodo .
Um laser refletindo em uma haste de acrílico , ilustrando a reflexão interna total da luz em uma fibra óptica multimodo.

Fibra com grande diâmetro de núcleo (maior que 10 micrômetros) pode ser analisada por óptica geométrica . Essa fibra é chamada de fibra multimodo , a partir da análise eletromagnética (veja abaixo). Em uma fibra multimodo de índice escalonado, os raios de luz são guiados ao longo do núcleo da fibra por reflexão interna total. Os raios que encontram o limite do revestimento do núcleo em um ângulo alto (medido em relação a uma linha normal ao limite), maior do que o ângulo crítico para este limite, são completamente refletidos. O ângulo crítico (ângulo mínimo para reflexão interna total) é determinado pela diferença no índice de refração entre o núcleo e os materiais de revestimento. Os raios que encontram o limite em um ângulo baixo são refratados do núcleo para o revestimento e não transmitem luz e, portanto, informações ao longo da fibra. O ângulo crítico determina o ângulo de aceitação da fibra, geralmente relatado como uma abertura numérica . Uma alta abertura numérica permite que a luz se propague pela fibra em raios próximos ao eixo e em vários ângulos, permitindo o acoplamento eficiente da luz na fibra. No entanto, essa alta abertura numérica aumenta a quantidade de dispersão, pois os raios em diferentes ângulos têm diferentes comprimentos de caminho e, portanto, levam tempos diferentes para atravessar a fibra.

Tipos de fibra ótica.

Na fibra de índice graduado, o índice de refração no núcleo diminui continuamente entre o eixo e o revestimento. Isso faz com que os raios de luz se curvem suavemente à medida que se aproximam do revestimento, em vez de refletir abruptamente a partir do limite do revestimento do núcleo. Os caminhos curvos resultantes reduzem a dispersão de múltiplos caminhos porque os raios de alto ângulo passam mais através da periferia de índice inferior do núcleo, ao invés do centro de índice alto. O perfil de índice é escolhido para minimizar a diferença nas velocidades de propagação axial dos vários raios na fibra. Este perfil de índice ideal está muito próximo de uma relação parabólica entre o índice e a distância do eixo.

Fibra monomodo

A estrutura de uma fibra monomodo típica .
1. Núcleo: 8 µm de diâmetro
2. Revestimento: 125 µm de diâmetro.
3. Tampão: 250 µm dia.
4. Jaqueta: 400 µm dia.

A fibra com um diâmetro de núcleo inferior a cerca de dez vezes o comprimento de onda da luz em propagação não pode ser modelada usando óptica geométrica. Em vez disso, deve ser analisado como uma estrutura de guia de onda eletromagnética, pela solução das equações de Maxwell reduzidas à equação de onda eletromagnética . A análise eletromagnética também pode ser necessária para compreender comportamentos como manchas que ocorrem quando a luz coerente se propaga em fibra multimodo. Como um guia de onda óptico, a fibra suporta um ou mais modos transversais confinados pelos quais a luz pode se propagar ao longo da fibra. A fibra que suporta apenas um modo é chamada de fibra monomodo ou monomodo . O comportamento da fibra multimodo de núcleo maior também pode ser modelado usando a equação de onda, que mostra que essa fibra suporta mais de um modo de propagação (daí o nome). Os resultados de tal modelagem de fibra multimodo concordam aproximadamente com as previsões da óptica geométrica, se o núcleo da fibra for grande o suficiente para suportar mais do que alguns modos.

A análise do guia de ondas mostra que a energia da luz na fibra não está completamente confinada no núcleo. Em vez disso, especialmente em fibras monomodo, uma fração significativa da energia no modo vinculado viaja no revestimento como uma onda evanescente .

O tipo mais comum de fibra monomodo tem um diâmetro de núcleo de 8 a 10 micrômetros e é projetado para uso no infravermelho próximo . A estrutura do modo depende do comprimento de onda da luz usada, de modo que essa fibra realmente suporta um pequeno número de modos adicionais em comprimentos de onda visíveis. A fibra multimodo, em comparação, é fabricada com diâmetros de núcleo tão pequenos quanto 50 micrômetros e tão grandes quanto centenas de micrômetros. A frequência normalizada V para esta fibra deve ser menor que o primeiro zero da função de Bessel J 0 (aproximadamente 2,405).

Fibra de uso especial

Algumas fibras ópticas para fins especiais são construídas com um núcleo não cilíndrico e / ou camada de revestimento, geralmente com uma seção transversal elíptica ou retangular. Isso inclui fibra de manutenção de polarização e fibra projetada para suprimir a propagação do modo de galeria sussurrante . A fibra de manutenção da polarização é um tipo exclusivo de fibra comumente usada em sensores de fibra óptica devido à sua capacidade de manter a polarização da luz inserida nela.

A fibra de cristal fotônico é feita com um padrão regular de variação de índice (geralmente na forma de orifícios cilíndricos que correm ao longo do comprimento da fibra). Essa fibra usa efeitos de difração em vez de ou em adição à reflexão interna total, para confinar a luz ao núcleo da fibra. As propriedades da fibra podem ser adaptadas a uma ampla variedade de aplicações.

Mecanismos de atenuação

Curva de atenuação experimental de sílica multimodo de baixa perda e fibra ZBLAN.
Espectros de perda teórica (atenuação, dB / km) para fibra ótica de sílica (linha tracejada azul) e fibra ótica ZBLAN típica (linha cinza sólida) em função do comprimento de onda (mícrons).

A atenuação em fibra óptica, também conhecida como perda de transmissão, é a redução na intensidade do feixe de luz (ou sinal) conforme ele viaja pelo meio de transmissão. Os coeficientes de atenuação em fibras ópticas geralmente usam unidades de dB / km através do meio, devido à qualidade relativamente alta de transparência dos meios de transmissão óptica modernos. O meio é geralmente uma fibra de vidro de sílica que confina o feixe de luz incidente para o interior. Para aplicações que requerem comprimentos de onda espectrais, especialmente no infravermelho médio ~ 2-7 μm, uma alternativa melhor é representada por vidros de fluoreto , como ZBLAN e I nF 3 . A atenuação é um fator importante que limita a transmissão de um sinal digital em grandes distâncias. Assim, muitas pesquisas foram feitas para limitar a atenuação e maximizar a amplificação do sinal óptico. Na verdade, a redução de quatro ordens de magnitude na atenuação das fibras ópticas de sílica ao longo de quatro décadas (de ~ 1000 dB / km em 1965 para ~ 0,17 dB / km em 2005), conforme destacado na imagem adjacente (pontos do triângulo preto; cinza setas), foi o resultado da melhoria constante dos processos de fabricação, pureza da matéria-prima, pré-formas e desenhos das fibras, o que permitiu que essas fibras se aproximassem do limite inferior teórico de atenuação.

A pesquisa empírica mostrou que a atenuação na fibra óptica é causada principalmente por espalhamento e absorção . As fibras ópticas monomodo podem ser feitas com perdas extremamente baixas. A fibra SMF-28 da Corning, uma fibra monomodo padrão para comprimentos de onda de telecomunicações, tem uma perda de 0,17 dB / km a 1550 nm. Por exemplo, um comprimento de 8 km de SMF-28 transmite quase 75% da luz em 1.550 nm. Observou-se que, se a água do oceano fosse clara como fibra, era possível ver até o fundo da Fossa das Marianas no Oceano Pacífico, uma profundidade de 11.000 metros (36.000 pés).

Dispersão de luz

Reflexão especular
Reflexão difusa

A propagação da luz através do núcleo de uma fibra óptica é baseada na reflexão interna total da onda de luz. Superfícies ásperas e irregulares, mesmo em nível molecular, podem fazer com que os raios de luz sejam refletidos em direções aleatórias. Isso é chamado de reflexão difusa ou espalhamento e é tipicamente caracterizado por uma ampla variedade de ângulos de reflexão.

A dispersão da luz depende do comprimento de onda da luz que está sendo espalhada. Assim, surgem limites para as escalas espaciais de visibilidade, dependendo da frequência da onda de luz incidente e da dimensão física (ou escala espacial) do centro de espalhamento, que normalmente está na forma de alguma característica microestrutural específica. Como a luz visível tem comprimento de onda da ordem de um micrômetro (um milionésimo de metro), os centros de dispersão terão dimensões em uma escala espacial semelhante.

Assim, a atenuação resulta do espalhamento incoerente de luz em superfícies internas e interfaces . Em materiais (poli) cristalinos, como metais e cerâmicas, além dos poros, a maioria das superfícies internas ou interfaces têm a forma de contornos de grão que separam pequenas regiões de ordem cristalina. Recentemente, foi mostrado que quando o tamanho do centro de dispersão (ou limite de grão) é reduzido abaixo do tamanho do comprimento de onda da luz que está sendo espalhada, a dispersão não ocorre mais em qualquer extensão significativa. Este fenômeno deu origem à produção de materiais cerâmicos transparentes .

Da mesma forma, o espalhamento da luz na fibra de vidro de qualidade óptica é causado por irregularidades no nível molecular (flutuações composicionais) na estrutura do vidro. Na verdade, uma escola de pensamento emergente é que um vidro é simplesmente o caso limite de um sólido policristalino. Dentro dessa estrutura, "domínios" exibindo vários graus de ordem de curto alcance tornam-se os blocos de construção de metais e ligas, bem como de vidros e cerâmicas. Distribuídos entre e dentro desses domínios, estão os defeitos microestruturais que fornecem os locais mais ideais para a dispersão de luz. Este mesmo fenômeno é visto como um dos fatores limitantes na transparência das cúpulas de mísseis IR.

Em altas potências ópticas, o espalhamento também pode ser causado por processos ópticos não lineares na fibra.

Absorção UV-Vis-IR

Além do espalhamento da luz, também pode ocorrer atenuação ou perda de sinal devido à absorção seletiva de comprimentos de onda específicos, de forma semelhante àquela responsável pelo aparecimento da cor. As considerações de material primário incluem elétrons e moléculas da seguinte forma:

  • No nível eletrônico, depende se os orbitais de elétrons estão espaçados (ou "quantizados") de modo que possam absorver um quantum de luz (ou fóton) de um comprimento de onda específico ou frequência nas faixas ultravioleta (UV) ou visível. É isso que dá origem à cor.
  • No nível atômico ou molecular, depende das frequências das vibrações atômicas ou moleculares ou ligações químicas, quão compactos são seus átomos ou moléculas e se os átomos ou moléculas exibem ou não uma ordem de longo alcance. Esses fatores determinarão a capacidade do material de transmitir comprimentos de onda mais longos nas faixas de infravermelho (IR), infravermelho distante, rádio e microondas.

O projeto de qualquer dispositivo opticamente transparente requer a seleção de materiais com base no conhecimento de suas propriedades e limitações. As características de absorção da Malha observadas nas regiões de frequência mais baixas (faixa de comprimento de onda infravermelho médio a infravermelho distante) definem o limite de transparência de comprimento de onda longo do material. Eles são o resultado do acoplamento interativo entre os movimentos das vibrações induzidas termicamente dos átomos e moléculas constituintes da rede sólida e a radiação da onda de luz incidente. Portanto, todos os materiais são limitados por regiões limitantes de absorção causadas por vibrações atômicas e moleculares (alongamento da ligação) no infravermelho distante (> 10 µm).

Assim, a absorção de multi-fônons ocorre quando dois ou mais fônons interagem simultaneamente para produzir momentos de dipolo elétrico com os quais a radiação incidente pode se acoplar. Esses dipolos podem absorver energia da radiação incidente, atingindo um acoplamento máximo com a radiação quando a frequência é igual ao modo vibracional fundamental do dipolo molecular (por exemplo, ligação Si – O) no infravermelho distante, ou um de seus harmônicos.

A absorção seletiva de luz infravermelha (IV) por um material específico ocorre porque a frequência selecionada da onda de luz corresponde à frequência (ou um múltiplo inteiro da frequência) na qual as partículas desse material vibram. Como diferentes átomos e moléculas têm diferentes frequências naturais de vibração, eles irão absorver seletivamente diferentes frequências (ou porções do espectro) da luz infravermelha (IV).

A reflexão e a transmissão das ondas de luz ocorrem porque as frequências das ondas de luz não correspondem às frequências ressonantes naturais de vibração dos objetos. Quando a luz IV dessas frequências atinge um objeto, a energia é refletida ou transmitida.

Perda de orçamento

A atenuação em um lance de cabo é significativamente aumentada pela inclusão de conectores e emendas. Ao calcular a atenuação aceitável (orçamento de perda) entre um transmissor e um receptor, inclui-se:

  • perda de dB devido ao tipo e comprimento do cabo de fibra óptica,
  • perda de dB introduzida pelos conectores, e
  • perda de dB introduzida por emendas.

Os conectores normalmente apresentam 0,3 dB por conector em conectores bem polidos. As emendas normalmente apresentam menos de 0,3 dB por emenda.

A perda total pode ser calculada por:

Perda = perda de dB por conector × número de conectores + perda de dB por emenda × número de emendas + perda de dB por quilômetro × quilômetros de fibra,

onde a perda de dB por quilômetro é função do tipo de fibra e pode ser encontrada nas especificações do fabricante. Por exemplo, a fibra monomodo típica de 1550 nm tem uma perda de 0,4 dB por quilômetro.

O orçamento de perda calculado é usado durante o teste para confirmar se a perda medida está dentro dos parâmetros operacionais normais.

Manufatura

Materiais

As fibras ópticas de vidro são quase sempre feitas de sílica , mas alguns outros materiais, como fluorozirconato , fluoroaluminato e vidros de calcogeneto , bem como materiais cristalinos como safira , são usados ​​para infravermelho de comprimento de onda mais longo ou outras aplicações especializadas. Os vidros de sílica e fluoreto geralmente têm índices de refração de cerca de 1,5, mas alguns materiais, como os calcogenetos, podem ter índices tão altos quanto 3. Normalmente, a diferença de índice entre o núcleo e o revestimento é inferior a um por cento.

Fibras ópticas plásticas (POF) são comumente fibras multimodo de índice escalonado com um diâmetro de núcleo de 0,5 milímetros ou maior. POF normalmente tem coeficientes de atenuação mais altos do que fibras de vidro, 1 dB / m ou mais, e esta alta atenuação limita a faixa de sistemas baseados em POF.

Sílica

A sílica exibe uma transmissão ótica razoavelmente boa em uma ampla faixa de comprimentos de onda. Na porção do infravermelho próximo (IR próximo) do espectro, particularmente em torno de 1,5 μm, a sílica pode ter perdas de absorção e espalhamento extremamente baixas da ordem de 0,2 dB / km. Essas perdas notavelmente baixas são possíveis apenas porque o silício ultra-puro está disponível, sendo essencial para a fabricação de circuitos integrados e transistores discretos. Uma alta transparência na região de 1,4 μm é alcançada mantendo uma baixa concentração de grupos hidroxila (OH). Alternativamente, uma alta concentração de OH é melhor para transmissão na região ultravioleta (UV).

A sílica pode ser transformada em fibras em temperaturas razoavelmente altas e tem uma faixa de transformação de vidro bastante ampla . Uma outra vantagem é que a emenda por fusão e a clivagem de fibras de sílica são relativamente eficazes. A fibra de sílica também possui alta resistência mecânica contra tração e até mesmo flexão, desde que a fibra não seja muito espessa e as superfícies tenham sido bem preparadas durante o processamento. Mesmo a simples clivagem (quebra) das extremidades da fibra pode fornecer superfícies bem planas com qualidade óptica aceitável. A sílica também é relativamente inerte quimicamente . Em particular, não é higroscópico (não absorve água).

O vidro de sílica pode ser dopado com vários materiais. Um dos objetivos do doping é aumentar o índice de refração (por exemplo, com dióxido de germânio (GeO 2 ) ou óxido de alumínio (Al 2 O 3 )) ou diminuí- lo (por exemplo, com flúor ou trióxido de boro (B 2 O 3 )). A dopagem também é possível com íons ativos a laser (por exemplo, fibras dopadas com terras raras) para obter fibras ativas a serem utilizadas, por exemplo, em amplificadores de fibra ou aplicações de laser . Tanto o núcleo da fibra quanto o revestimento são tipicamente dopados, de modo que todo o conjunto (núcleo e revestimento) seja efetivamente o mesmo composto (por exemplo, um aluminossilicato , germanossilicato, fosfosilicato ou vidro de borossilicato ).

Particularmente para fibras ativas, a sílica pura geralmente não é um vidro hospedeiro muito adequado, porque exibe uma baixa solubilidade para íons de terras raras. Isso pode levar a efeitos de extinção devido ao agrupamento de íons contaminantes. Os aluminossilicatos são muito mais eficazes neste aspecto.

A fibra de sílica também exibe um alto limite para danos ópticos. Esta propriedade garante uma baixa tendência para quebra induzida por laser. Isso é importante para amplificadores de fibra quando utilizados para a amplificação de pulsos curtos.

Por causa dessas propriedades, as fibras de sílica são o material de escolha em muitas aplicações ópticas, como comunicações (exceto para distâncias muito curtas com fibra óptica de plástico), lasers de fibra, amplificadores de fibra e sensores de fibra óptica. Grandes esforços no desenvolvimento de vários tipos de fibras de sílica aumentaram ainda mais o desempenho dessas fibras em relação a outros materiais.

Vidro de flúor

O vidro fluoretado é uma classe de vidros não óxidos de qualidade óptica composta de fluoretos de vários metais . Devido à sua baixa viscosidade , é muito difícil evitar completamente a cristalização durante o processamento através da transição vítrea (ou extração da fibra do fundido). Assim, embora os vidros de fluoreto de metal pesado (HMFG) exibam atenuação óptica muito baixa, eles não são apenas difíceis de fabricar, mas são bastante frágeis e têm pouca resistência à umidade e outros ataques ambientais. Seu melhor atributo é que eles não têm a banda de absorção associada ao grupo hidroxila (OH) (3.200-3.600 cm −1 ; ou seja, 2.777-3.125 nm ou 2,78-3,13 μm), que está presente em quase todos os vidros à base de óxido.

Um exemplo de vidro de fluoreto de metal pesado é o grupo de vidro ZBLAN , composto de zircônio , bário , lantânio , alumínio e fluoretos de sódio . Sua principal aplicação tecnológica é como guias de ondas ópticas na forma plana e de fibra. Eles são vantajosos especialmente na faixa do infravermelho médio (2.000–5.000 nm).

HMFGs foram inicialmente programados para aplicações de fibra óptica, porque as perdas intrínsecas de uma fibra de infravermelho médio poderiam, em princípio, ser menores do que as das fibras de sílica, que são transparentes apenas até cerca de 2 μm. No entanto, essas baixas perdas nunca foram percebidas na prática, e a fragilidade e o alto custo das fibras de flúor as tornaram menos do que ideais como candidatas primárias. Mais tarde, a utilidade das fibras de flúor para várias outras aplicações foi descoberta. Isso inclui espectroscopia de infravermelho médio , sensores de fibra óptica , termometria e imagem . Além disso, as fibras de fluoreto podem ser usadas para transmissão de ondas de luz guiadas em meios como os lasers YAG ( granada de ítrio de alumínio ) a 2,9 μm, conforme necessário para aplicações médicas (por exemplo, oftalmologia e odontologia ).

Vidro fosfato

A estrutura P 4 O 10 cagelike - o bloco de construção básico para o vidro de fosfato

O vidro fosfato constitui uma classe de vidros ópticos compostos de metafosfatos de vários metais. Em vez do tetraedro de SiO 4 observado em vidros de silicato, o bloco de construção desse formador de vidro é o pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ), que cristaliza em pelo menos quatro formas diferentes. O polimorfo mais familiar (ver figura) compreende moléculas de P 4 O 10 .

Os vidros de fosfato podem ser vantajosos sobre os vidros de sílica para fibras ópticas com uma alta concentração de íons de terras raras de dopagem. Uma mistura de vidro fluorado e vidro fosfato é o vidro fluorofosfato.

Vidro de calcogeneto

Os calcogênios - os elementos do grupo 16 da tabela periódica - principalmente enxofre (S), selênio (Se) e telúrio (Te) - reagem com mais elementos eletropositivos , como prata , para formar calcogenetos . São compostos extremamente versáteis, pois podem ser cristalinos ou amorfos, metálicos ou semicondutores, e condutores de íons ou elétrons . O vidro contendo calcogenetos pode ser usado para fazer fibras para transmissão no infravermelho distante.

Processo

Pré-forma

Ilustração do processo de deposição de vapor químico modificado (interior)

As fibras ópticas padrão são feitas construindo primeiro uma "pré-forma" de grande diâmetro com um perfil de índice de refração cuidadosamente controlado e, em seguida, "puxando" a pré-forma para formar a fibra óptica longa e fina. A pré-forma é comumente feita por três métodos de deposição química de vapor: deposição interna de vapor , deposição externa de vapor e deposição axial de vapor .

Com a deposição de vapor interna , a pré-forma começa como um tubo de vidro oco de aproximadamente 40 centímetros (16 pol.) De comprimento, que é colocado horizontalmente e girado lentamente em um torno . Gases como tetracloreto de silício (SiCl 4 ) ou tetracloreto de germânio (GeCl 4 ) são injetados com oxigênio na extremidade do tubo. Os gases são então aquecido por meio de um queimador de hidrogénio externo, levando a temperatura do gás até 1900  K (1600 ° C, 3000 ° F), onde os tetrachlorides reagir com oxigénio para produzir sílica ou germânia (dióxido de germânio) partículas. Quando as condições de reação são escolhidas para permitir que essa reação ocorra na fase gasosa ao longo do volume do tubo, ao contrário das técnicas anteriores em que a reação ocorria apenas na superfície do vidro, essa técnica é chamada de deposição química de vapor modificada (MCVD) .

As partículas de óxido então se aglomeram para formar grandes cadeias de partículas, que subsequentemente se depositam nas paredes do tubo como fuligem. A deposição se deve à grande diferença de temperatura entre o núcleo do gás e a parede, fazendo com que o gás empurre as partículas para fora (isso é conhecido como termoforese ). A tocha é então percorrida para cima e para baixo ao longo do tubo para depositar o material uniformemente. Depois que a tocha chega ao final do tubo, ela é trazida de volta ao início do tubo e as partículas depositadas são derretidas para formar uma camada sólida. Este processo é repetido até que uma quantidade suficiente de material seja depositada. Para cada camada, a composição pode ser modificada variando a composição do gás, resultando em um controle preciso das propriedades ópticas da fibra acabada.

Na deposição de vapor externa ou na deposição axial de vapor, o vidro é formado por hidrólise de chama , uma reação na qual o tetracloreto de silício e o tetracloreto de germânio são oxidados por reação com água (H 2 O) em uma chama de oxidrogênio . Na deposição externa de vapor, o vidro é depositado em uma haste sólida, que é removida antes do processamento posterior. Na deposição axial de vapor, uma haste de semente curta é usada e uma pré-forma porosa, cujo comprimento não é limitado pelo tamanho da haste de origem, é construída em sua extremidade. A pré-forma porosa é consolidada em uma pré-forma sólida e transparente por aquecimento a cerca de 1.800 K (1.500 ° C, 2.800 ° F).

Seção transversal de uma fibra retirada de uma pré -forma em forma de D

A fibra de comunicação típica usa uma pré-forma circular. Para algumas aplicações, como fibras de revestimento duplo, outra forma é preferida. Em lasers de fibra com base em fibra de revestimento duplo, uma forma assimétrica melhora o fator de enchimento para bombeamento do laser .

Por causa da tensão superficial, a forma é suavizada durante o processo de estampagem e a forma da fibra resultante não reproduz as arestas vivas da pré-forma. No entanto, o polimento cuidadoso da pré-forma é importante, uma vez que quaisquer defeitos da superfície da pré-forma afetam as propriedades ópticas e mecânicas da fibra resultante. Em particular, a pré-forma para a fibra de teste mostrada na figura não foi bem polida e as rachaduras são vistas com o microscópio óptico confocal .

Desenhando

A pré-forma, entretanto construída, é colocada em um dispositivo conhecido como torre de desenho , onde a ponta da pré-forma é aquecida e a fibra óptica é puxada como um fio. Medindo a largura da fibra resultante, a tensão na fibra pode ser controlada para manter a espessura da fibra.

Revestimentos

A luz é guiada pelo núcleo da fibra por um revestimento óptico com um índice de refração inferior que captura a luz no núcleo por meio de reflexão interna total.

O revestimento é revestido por um tampão que o protege da umidade e de danos físicos. O revestimento do buffer é o que é retirado da fibra para terminação ou emenda. Esses revestimentos são compostos de acrilato de uretano curado por UV ou materiais de poliimida aplicados na parte externa da fibra durante o processo de estiramento. Os revestimentos protegem os fios muito delicados de fibra de vidro - do tamanho de um fio de cabelo humano - e permitem que sobrevivam aos rigores da fabricação, testes de prova, cabeamento e instalação.

Os processos atuais de extração de fibra óptica de vidro empregam uma abordagem de revestimento de camada dupla. Um revestimento primário interno é projetado para atuar como um amortecedor de choque para minimizar a atenuação causada por microb dobras. Um revestimento secundário externo protege o revestimento primário contra danos mecânicos e atua como uma barreira às forças laterais, e pode ser colorido para diferenciar os fios em construções de cabos agrupados.

Essas camadas de revestimento de fibra óptica são aplicadas durante a extração da fibra, a velocidades que se aproximam de 100 quilômetros por hora (60 mph). Os revestimentos de fibra óptica são aplicados usando um de dois métodos: úmido sobre seco e úmido sobre úmido . No caso de úmido sobre seco, a fibra passa por uma aplicação de revestimento primário, que é então curada por UV - em seguida, através da aplicação de revestimento secundário, que é posteriormente curado. No caso de úmido sobre úmido, a fibra passa pelas aplicações de revestimento primário e secundário e, em seguida, vai para a cura UV.

Os revestimentos de fibra ótica são aplicados em camadas concêntricas para evitar danos à fibra durante a aplicação de estiramento e para maximizar a resistência da fibra e resistência à micro-dobra. A fibra com revestimento irregular sofrerá forças não uniformes quando o revestimento se expandir ou contrair e é suscetível a maior atenuação de sinal. Sob processos adequados de desenho e revestimento, os revestimentos são concêntricos ao redor da fibra, contínuos ao longo do comprimento da aplicação e têm espessura constante.

A espessura do revestimento é levada em consideração ao calcular a tensão que a fibra sofre sob diferentes configurações de curvatura. Quando uma fibra revestida é enrolada em um mandril, a tensão experimentada pela fibra é dada por

,

onde E é o módulo de Young da fibra , d m é o diâmetro do mandril, d f é o diâmetro do revestimento ed c é o diâmetro do revestimento.

Em uma configuração de curvatura de dois pontos, uma fibra revestida é dobrada em forma de U e colocada entre as ranhuras de duas placas frontais, que são colocadas juntas até que a fibra se quebre. O estresse na fibra nesta configuração é dado por

,

onde d é a distância entre as placas frontais. O coeficiente 1,198 é uma constante geométrica associada a esta configuração.

Os revestimentos de fibra óptica protegem as fibras de vidro de arranhões que podem levar à degradação da resistência. A combinação de umidade e riscos acelera o envelhecimento e a deterioração da resistência da fibra. Quando a fibra é submetida a baixas tensões por um longo período, pode ocorrer fadiga da fibra. Com o tempo ou em condições extremas, esses fatores se combinam para causar a propagação de falhas microscópicas na fibra de vidro, o que pode resultar em falha da fibra.

Três características principais dos guias de onda de fibra óptica podem ser afetadas pelas condições ambientais: resistência, atenuação e resistência a perdas causadas por microdobra. Os revestimentos de cabos de fibra ótica externos e tubos de buffer protegem a fibra ótica de vidro das condições ambientais que podem afetar o desempenho da fibra e a durabilidade a longo prazo. No interior, os revestimentos garantem a confiabilidade do sinal que está sendo transportado e ajudam a minimizar a atenuação devido à micro dobra.

Construção de cabo

Em fibras práticas, o revestimento é geralmente revestido com um revestimento de resina resistente e uma camada tampão adicional , que pode ser ainda envolvida por uma camada de revestimento , geralmente de plástico. Essas camadas aumentam a resistência da fibra, mas não contribuem para suas propriedades ópticas de guia de onda. Conjuntos de fibras rígidas às vezes colocam vidro que absorve luz ("escuro") entre as fibras, para evitar que a luz que vaza de uma fibra entre em outra. Isso reduz a interferência entre as fibras ou reduz o reflexo em aplicativos de imagem de feixe de fibras.

Os cabos modernos vêm em uma ampla variedade de revestimentos e armaduras, projetados para aplicações como enterramento direto em trincheiras, isolamento de alta tensão, uso duplo como linhas de energia, instalação em conduítes, amarração em postes de telefone aéreos, instalação submarina e inserção em ruas pavimentadas . O cabo multifibra geralmente usa revestimentos coloridos e / ou amortecedores para identificar cada fio. O custo de pequenos cabos de fibra montados em postes diminuiu muito devido à alta demanda por instalações de fibra para casa (FTTH) no Japão e na Coréia do Sul.

Algumas versões de cabos de fibra óptica são reforçadas com fios de aramida ou fios de vidro como membro intermediário de resistência . Em termos comerciais, o uso de fios de vidro é mais econômico, sem perda de durabilidade mecânica do cabo. Os fios de vidro também protegem o núcleo do cabo contra roedores e cupins.

Questões práticas

Instalação

O cabo de fibra pode ser muito flexível, mas a perda da fibra tradicional aumenta muito se a fibra for dobrada com um raio menor que cerca de 30 mm. Isso cria um problema quando o cabo é dobrado nos cantos ou enrolado em um carretel, tornando as instalações de FTTX mais complicadas. As "fibras dobráveis", destinadas a uma instalação mais fácil em ambientes domésticos, foram padronizadas como ITU-T G.657 . Este tipo de fibra pode ser dobrado com um raio tão baixo quanto 7,5 mm sem impacto adverso. Fibras ainda mais flexíveis foram desenvolvidas. A fibra dobrável também pode ser resistente ao corte de fibra, em que o sinal em uma fibra é sub-repticiamente monitorado dobrando a fibra e detectando o vazamento.

Outra característica importante do cabo é a capacidade do cabo de resistir à força aplicada horizontalmente. É tecnicamente chamado de força de tração máxima, definindo quanta força pode ser aplicada ao cabo durante o período de instalação.

Rescisão e emenda

As fibras ópticas são conectadas ao equipamento terminal por conectores de fibra óptica . Esses conectores são geralmente de um tipo padrão, como FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO ou SMA . As fibras ópticas podem ser conectadas entre si por conectores, ou permanentemente por emenda , isto é, unir duas fibras para formar um guia de ondas ópticas contínuo. O método de emenda geralmente aceito é a emenda por fusão de arco , que funde as extremidades da fibra junto com um arco elétrico . Para trabalhos de fixação mais rápidos, uma “emenda mecânica” é usada.

A emenda de fusão é feita com um instrumento especializado. As extremidades da fibra são primeiro despojadas de seu revestimento de polímero protetor (bem como a capa externa mais resistente, se houver). As extremidades são clivadas (cortadas) com um clivador de precisão para torná-las perpendiculares e são colocadas em suportes especiais no splicer de fusão. A emenda é geralmente inspecionada por meio de uma tela de visualização ampliada para verificar as clivagens antes e depois da emenda. O splicer usa pequenos motores para alinhar as faces das extremidades e emite uma pequena faísca entre os eletrodos na lacuna para queimar a poeira e a umidade. Em seguida, o splicer gera uma faísca maior que eleva a temperatura acima do ponto de fusão do vidro, fundindo as pontas permanentemente. A localização e a energia da centelha são cuidadosamente controladas para que o núcleo fundido e o revestimento não se misturem, e isso minimiza a perda óptica. Uma estimativa de perda de emenda é medida pelo splicer, direcionando a luz através do revestimento de um lado e medindo o vazamento de luz do revestimento do outro lado. Uma perda de emenda abaixo de 0,1 dB é típica. A complexidade desse processo torna a emenda da fibra muito mais difícil do que a emenda do fio de cobre.

Um gabinete aéreo de emenda de fibra óptica abaixado durante a instalação. As fibras individuais são fundidas e armazenadas dentro do invólucro para proteção contra danos

As emendas de fibras mecânicas são projetadas para serem mais rápidas e fáceis de instalar, mas ainda há a necessidade de decapagem, limpeza cuidadosa e clivagem precisa. As extremidades da fibra são alinhadas e mantidas juntas por uma luva feita com precisão, muitas vezes usando um gel de correspondência de índice transparente que aumenta a transmissão de luz através da junta. Essas juntas normalmente têm maior perda óptica e são menos robustas do que as emendas de fusão, especialmente se o gel for usado. Todas as técnicas de emenda envolvem a instalação de um gabinete que protege a emenda.

As fibras são terminadas em conectores que prendem a extremidade da fibra com precisão e segurança. Um conector de fibra óptica é basicamente um barril cilíndrico rígido cercado por uma luva que mantém o barril em seu soquete de acoplamento. O mecanismo de acoplamento pode ser empurrar e clicar , girar e travar ( montagem de baioneta ) ou aparafusar ( rosqueado ). O cilindro é normalmente livre para se mover dentro da luva e pode ter uma chave que evita que o cilindro e a fibra girem enquanto os conectores são encaixados.

Um conector típico é instalado preparando a extremidade da fibra e inserindo-a na parte traseira do corpo do conector. O adesivo de secagem rápida geralmente é usado para segurar a fibra com segurança e um alívio de tensão é preso na parte traseira. Assim que o adesivo endurece, a extremidade da fibra é polida para um acabamento espelhado. Vários perfis de polimento são usados, dependendo do tipo de fibra e da aplicação. Para fibra monomodo, as extremidades da fibra são normalmente polidas com uma ligeira curvatura que faz com que os conectores correspondentes se toquem apenas em seus núcleos. Isso é chamado de polimento de contato físico (PC). A superfície curva pode ser polida em um ângulo, para fazer uma conexão de contato físico angular (APC) . Essas conexões têm uma perda maior do que as conexões de PC, mas reduzem bastante a reflexão de volta, porque a luz que reflete da superfície em ângulo vaza do núcleo da fibra. A perda de intensidade do sinal resultante é chamada de perda de gap . As extremidades da fibra APC têm baixa reflexão traseira, mesmo quando desconectadas.

Na década de 1990, a terminação de cabos de fibra óptica era trabalhosa. O número de peças por conector, o polimento das fibras e a necessidade de fazer o forno a vapor do epóxi em cada conector dificultavam a terminação dos cabos de fibra óptica. Hoje, há muitos tipos de conectores no mercado que oferecem maneiras mais fáceis e menos trabalhosas de terminar os cabos. Alguns dos conectores mais populares são pré-polidos na fábrica e incluem um gel dentro do conector. Essas duas etapas ajudam a economizar dinheiro com mão de obra, especialmente em grandes projetos. Uma clivagem é feita no comprimento necessário, para chegar o mais próximo da peça polida que já está dentro do conector. O gel envolve o ponto onde as duas peças se encontram dentro do conector para pouquíssima perda de luz. O desempenho de longo prazo do gel é uma consideração de design, portanto, para as instalações mais exigentes, rabichos pré-polidos de fábrica com comprimento suficiente para alcançar a primeira caixa de emenda de fusão normalmente é a abordagem mais segura que minimiza o trabalho no local.

Acoplamento de espaço livre

Freqüentemente, é necessário alinhar uma fibra óptica com outra fibra óptica ou com um dispositivo optoeletrônico , como um diodo emissor de luz , um diodo laser ou um modulador . Isso pode envolver o alinhamento cuidadoso da fibra e colocá-la em contato com o dispositivo, ou pode usar uma lente para permitir o acoplamento sobre um espaço de ar. Normalmente, o tamanho do modo de fibra é muito maior do que o tamanho do modo em um diodo laser ou um chip ótico de silício . Nesse caso, uma fibra cônica ou com lente é usada para combinar a distribuição de campo do modo de fibra com a do outro elemento. A lente na extremidade da fibra pode ser formada usando polimento, corte a laser ou emenda por fusão.

Em um ambiente de laboratório, uma extremidade de fibra nua é acoplada usando um sistema de lançamento de fibra, que usa uma lente objetiva de microscópio para focar a luz em um ponto fino. Um estágio de tradução de precisão (mesa de micro-posicionamento) é usado para mover a lente, fibra ou dispositivo para permitir que a eficiência de acoplamento seja otimizada. Fibras com um conector na extremidade tornam esse processo muito mais simples: o conector é simplesmente conectado a um colimador de fibra óptica pré-alinhado, que contém uma lente que é posicionada com precisão em relação à fibra ou ajustável. Para obter a melhor eficiência de injeção na fibra monomodo, a direção, a posição, o tamanho e a divergência do feixe devem ser otimizados. Com boas vigas, 70 a 90% de eficiência de acoplamento pode ser alcançada.

Com fibras monomodo devidamente polidas, o feixe emitido tem uma forma gaussiana quase perfeita - mesmo no campo distante - se uma boa lente for usada. A lente precisa ser grande o suficiente para suportar a abertura numérica total da fibra e não deve introduzir aberrações no feixe. Lentes asféricas são normalmente usadas.

Fusível de fibra

Em altas intensidades ópticas, acima de 2 megawatts por centímetro quadrado, quando uma fibra é submetida a um choque ou danificada repentinamente, pode ocorrer um fusível de fibra . O reflexo do dano vaporiza a fibra imediatamente antes do rompimento e esse novo defeito permanece refletivo, de modo que o dano se propaga de volta para o transmissor a 1–3 metros por segundo (4–11 km / h, 2–8 mph). O sistema de controle de fibra aberto , que garante a segurança do olho do laser no caso de uma fibra quebrada, também pode interromper com eficácia a propagação do fusível da fibra. Em situações, como cabos submarinos, onde altos níveis de potência podem ser usados ​​sem a necessidade de controle de fibra aberta, um dispositivo de proteção de "fusível de fibra" no transmissor pode interromper o circuito para manter os danos ao mínimo.

Dispersão cromática

O índice de refração das fibras varia ligeiramente com a frequência da luz e as fontes de luz não são perfeitamente monocromáticas. A modulação da fonte de luz para transmitir um sinal também aumenta ligeiramente a banda de frequência da luz transmitida. Isso tem o efeito de que, em longas distâncias e em altas velocidades de modulação, as diferentes frequências de luz podem levar tempos diferentes para chegar ao receptor, tornando o sinal impossível de discernir e exigindo repetidores extras. Esse problema pode ser superado de várias maneiras, incluindo o uso de um comprimento de fibra relativamente curto que tem o gradiente de índice de refração oposto.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos