2 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Uma caracterização objetiva da tecnologia de fibras ópticas e de suas aplicações envolve o conhecimento dos elementos básicos componentes de um sistema de transmissão por fitjras ópticas, considerando os vários tipos de aplicações existentes. Neste capítulo, aléi de um pequeno histórico da evolução da tecnologia de transmissão por fibras ópticas, são apresentados os elementos básicos e os principais tipos de sistemas de transmissão por fibras ópticas.

1 .I Histórico

As comunicações "ópticas" não constituem um privilégio deste século. Desde cedo, o homem soube aproveitar as fontes luminosas existentes para fins de comunicações à distância. O Sol, por exemplo, serviu como base para os primeiros sistemas de comu- nicações ópticas conhecidos. Através da manipulação de fumaça, espelhos ou outros objetos interpostos à luz solar, conseguia-se transportar informações instantaneamente de um lugar a outro. As distâncias eram limitadas apenas pela sensibilidade dos receptores ópticos disponfveis na época (isto é, o olho humano). A noite, tochas de fogo substituíam o Sol com vantagens quanto ao alcance. . . e, possivelmente, quanto a tarifação. Conta-se, por exemplo, que os gregos, no Século VI antes de Cristo, utilizaram sinais de fogo para transmitir as informações sobre a queda de Tróia [I]. Esse sistema de comunicações ópticas constituía-se de uma cadeia de estações (humanas) repetidoras ligando a Ásia Menor a Argos.

Um exemplo mais recente de sistema de comunicações ópticas é dado pelo Semaphore construido pelo francês Claude Chappe em 1791 [1,2]. Considerado como o primeiro sistema de comunicações digitais de alta velocidade na história do homem, o Semaphore era baseado num dispositivo de braços mecânicos, o qual, instalado no alto de uma torre e operado manualmente, permitia a transmissão de sinais a distâncias visuais. Através de uma cadeia desses dispositivos, construídos em colinas e espaçados conve- nientemente através da França, podia-se transmitir mensagens à distância de 200 quilô- metros em apenas 15 minutos. Embora tenha tido um impacto muito grande na Europa na época, o sistema de Chappe tomou-se obsoleto, com a invenção do telégrafo de Morse, em 1835, e caiu em desuso.

Um outro evento pioneiro na história das comunicações ópticas é a invenção do Photophone por Alexander Graham Bell em 1880 [3]. O Photophone, sistema pioneiro de comunicações ópticas analógicas, era um dispositivo para transmissão de voz por meio de um feixe de luz solar. As ondas sonoras da voz modulavam mecanicamente. através de

Introdução 3

um espelho refletor móvel, o feixe luminoso. Na recepção, uma célula de selênio con- vertia a energia luminosa modulada em intensidade de corrente elétrica que, por sua vez, era convertida em som por um receptor telefonico. A tecnologia disponível na época limitava o alcance do sistema a 200 metros; além disso, o Photophone não funcionava sem a luz solar direta.

Os exemplos de sistemas de comunicações ópticas pioneiros, apresentados acima, baseavam-se exclusivamente na transmissão de luz através da atmosfera. Uma das primeiras experiências científicas de transmissão de luz através de um meio de trans- missão diferente do ar é atribuída ao inglês John Tyndall que, em 1870, demonstrou a transmissão de um feixe de luz por meio de um jato d'água fino e curvo [4,5].

- Em 1910, os alemães Hondros e Debye realizaram a primeira análise teórica completa sobre a propagação eletromagnética em cilindros dielétncos, estrutura básica das futuras fibras ópticas [6]. Mais tarde, em 1930, o alemão Lamb desenvolveu as primeiras experiências de transmissão de luz em fibras de vidro [4]. No entanto, somcnte em 1951 as fibras ópticas encontrariam uma aplicação prática com a invenção do Fiberscope pelo holandês Heel e pelos ingleses Hopkins e Kapany [1,4]. Utilizado principalmente em aplicações médicas, o Fiberscope permitia a transmissão de imagens através de um feixe flexível de fibras de vidro.

Os altos níveis de perdas de potência luminosa apresentados, na época, pelas fibras de vidro (da ordem de milhares de dB/krn) restringiam sua aplicação a distâncias muito curtas (menores que um metro). Era o caso, por exemplo, de sistemas de ilu- minação e observação em lugares de dificil acesso, tais como o interior do corpo humano ou de uma máquina. Não se cogitava, na epoca, do uso de fibras para sistemas de transmissão a longa distância.

Com a invenção do laser em 1958 [7] e sua primeira realização prática nos EUA em 1960 [SI, os esforços de pesquisa e desenvolvimento em comunicações ópticas tiveram um novo impulso. O laser constituía uma fonte luminosa com potência e capaci- dade de transmissão enormes, permitindo conceber sistemas de comunicações ópticas de longo alcance com grande banda passante. Os avanços técnico-científicos na área resul- taram, em 1962, na realização do primeiro laser semicondutor [9, 101 e do primeiro fotodiodo PIN de silício de alta velocidade [ l l ] . Em 1963, demonstrava-se a emissão de luz de baixa coerência com diodos eletroluminescentes (LED's) [12,5].

Se por um lado os avanços em termos de fontes e receptores luminosos no início da década de 60 eram significativos, o desenvolvimento de sistemas de transmissão óptica, por outro lado, esbarrava na falta de disponibilidade de um meio adequado para a transmissão de luz à distância. A atmosfera, sujeita a interferências diversas (chuva, neblina, neve, poeira etc.), mostrava-se bastante limitativa, estimulando a busca de novas

4 Fibras Ópticas : Tecrwlogia e Projeto de Sistemas

alternativas de meio de transmissão. Foram investigados, no período, vários tipos de guias de onda que pudessem ser utilizados para a transmissão de luz [2]. Embora as experiências não tenham alcançado os resultados práticos esperados, algumas delas contribuíram posteriormente no desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas. É o caso, por exemplo, do guia de onda óptico de gás com variaçáo gradual no índice de refração, desenvolvido no Japão em 1964 [13, 21. Outros resultados decorrentes dessas investigações sobre guias de onda ópticos serviram de base para o desenvolvimento dos atuais componentes de óptica integrada.

'- Em 1966, Kao e Hockmam, na Inglaterra, apresentaram um trabalho cujos resultados sugeriam a possibilidade de uso de fibras de vidro em sistemas de transmissão a longa distância [14]. As fibras analisadas tinham uma estrutura de núcleo e casca conforme proposto por Kapany e outros em 1958 [4, 51. O trabalho mostrava que a forte atenuação, até então, em fibras ópticas, não era intrínseca ao material de vidro utilizado, mas, principalmente, devida à presença de impurezas. Concluía-se, portanto, que, atravks da purificação do material básico da fibra, era possível chegar-se a atenuações inferiores a 20 dB/km, limite de viabilização, na época, para o uso de fibras ópticas em sistemas de telecomunicações. Com esses resultados, além da Inglaterra, outros países, como os EUA, o Japão e a Alemanha, começaram um intenso programa de pesquisa, buscando a purificação do vidro e o estudo dos problemas de transmissão em fibras ópticas.

'Ainda no ano de 1966, pode-se destacar uma contribuição pioneira, em termos de dispositivos de recepção óptica, com o anúncio de um fotodiodo de avalanche (APD) de germânio de alta velocidade [15].

As fibras ópticas inicialmente consideradas para uso em sistemas de trans- missão de grande capacidade e alcance foram as do tipo monomodo (isto é, transmitem um único modo de propagação). Não obstante, as fibras ópticas do tipo multimodo (que rransmitem vários modos de propagação) foram logo levadas à prática em razão das dificuldades de conectividade das fibras monomodo, cujas dimensões são reduzidís- simas. A limitação intrínseca na capacidade de transmissão das fibras multimodo era minimizada, utilizando-se fibras multimodo com índice gradual (fibras com índice de refração do material que compõe o núcleo da fibra variando gradualmente com relação ao índice de refração da casca da fibra). Esse tipo de fibra óptica foi analisado teoricamente por Kawakami e Nishizawa em 1968 [16] e, em 1969, já se fabricava, no Japão e nos EUA, as primeiras preformas e fibras ópticas com índice gradual [17, 181. O material básico utilizado nessas fibras era vidro composto.

Em 1970, Kapron e Kech, da Corning Glass Works, nos EUA, anunciam a fabricação de centenas de metros de fibra óptica de sílica do tipo monomodo com atenuação inferior a 20 dB/km [19]. Este resultado estabeleceu um marco fundamental na história das comunicações ópticas e foi seguido por um formidável esforço científico e

tecnológico nos EUA, no Japão e na Europa, buscando-se o desenvolvimento de fibras ópticas utilizáveis em sistemas práticos.

,, Um outro importante resultado, alcançado também em 1970, foi a realização de diodos laser com operação contínua em temperatura ambiente [20]. Esses diodos laser baseavam-se numa estrutura de semicondutor do tipo heterogênea dupla (DHS) proposta em 1968 [21] e tinham vida útil não superior a algumas horas. Ainda com relação ao desenvolvimento de fontes luminosas, em 1971, Burrus e Miller apresentavam nos EUA os primeiros diodos eletroluminescentes (LED) adequados à transmissão por fibra óptica [221.

O desenvolvimento de sistemas de transmissão com fibras ópticas teve uma importante contribuição, em 1971, com a teoria simplificada sobre propagação cm fibras ópticas apresentada por Gloge [23]. Este trabalho e outros subsequentes [24] contri- buíram significativamente para a compreensão e o projeto de fibras ópticas para sistemas de telecomunicações.

Em 1972, a Corning Glass Works anunciou a fabricação de fibra multimodo com perdas inferiores a 4 dB/km [5,25]. Este trabalho provocou a obsolescência de uma importante área de investigação na época, que era a de fibras ópticas com núcleo líquido, onde se conseguia atenuações inferiores a 8 dB/km [26, 51. No ano seguinte, outra empresa norte-americana, o Bell Laboratories, alcança perdas inferiores a 2,5 dB/krn [27,28] com um método próprio de fabricação de fibras ópticas, com núcleo de síiica.

Um relevante trabalho pioneiro, analisando o desempenho de receptores Óp- ticos em sistemas de comunicações digitais, foi apresentado por Personick, do Bell Laboratories, em 1973 [29]. Diversos receptores ópticos experimentais, com desem- penhos bastante próximos daqueles previstos teoricamente, foram descritos no período [24]. Ainda em 1973, é relatada, nos EUA, a fabricação de diodo laser de estrutura DHS com vida útil superior a 1.000 horas [30], constituindo-se num importante avanço na. busca de fontes luminosas para sistemas práticos de telecomunicações.

Em 1975, os ingleses Payne e Gambling identificam, na região espcctral próxi- ma de 1300nrn, uma janela de dispersão mínima para fibras ópticas de síiica [31]. A partir de então, os esforços de pesquisa e desenvolvimento em fibras ópticas, dispositivos ópticos ativos e sistemas foram significativamente orientados para essa região espectral que oferecia possibilidades de realização de sistemas com capacidades de transmissão enormes.

- O incessante esforço de purificação da sílica para se obter fibras ópticas com perdas cada vez mais baixas teve, em 1976, um importante fruto advindo da fabricação de fibra óptica multimodo com atenuação inferior a 0,46 dB/km na região de 1200 nrn [32]. Com este resultado, aproximava-se o limite de perdas intrínsecas do material,

6 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

restando, como único avanço possível para fibras de sílica, a exploração de compri- mentos de onda maiores.

Os primeiros sistemas de transmissão com fibras ópticas começaram a ser instalados no campo, testados e operados, a partir de 1976. Em Hastings, Inglaterra, entra em operação, neste ano, o primeiro sistema comercial com fibras ópticas de que se tem conhecimento. Este sistema utilizava um enlace de fibra óptica de 1,4 km para distri- buição de televisão por cabo a 34.000 assinantes [I]. Em Atlanta, EUA, tem início, em 1976, uma série de testes de campo com um sistema de transmissão a 45 Mbps operando na região de 0,82pm [24].

O primeiro enlace com fibra óptica, em operação regular no sistema telefônico dos EUA, entrou em operação em abril de 1977 na Califómia [I]. Este sistema interco- nectava duas centrais telefdnicas, atravks de dois repetidores espaçados de 3 km, perfa- zendo uma distância de 9 km. Utilizava LED's e fotodiodos de avalanche (APD) para transmitir, num cabo óptico com 6 fibras, voz com codificação de pulsos (PCM) a 1,544 Mbps.

.Em 1977, obtiveram-se importantes avanços no desenvolvimento de fontes luminosas. Em menos de um ano;saiu-se de diodos laser com vida útil superior a 7.000 horas [33] para a produção regular de diodos laser com vida útil superior a 106 horas [24, 341. Também, neste ano, foi desenvolvido um diodo LED de alta radiança para operação na região dos 1300nm, onde a dispersão material era minimizada [35].

De 1977 a 1978 proliferaram, nos EUA, Japão e Europa, testes de campo com a chamada I ~ e r a ç ã o de sistemas comerciais que operava na região de 0,85pm [24, 361. Esta geração de sistemas baseava-se na utilização de diodos laser ou LED's de AlGaAs, fotodiodos PIN ou APD de silício e fibras multimodo com índice gradual, operando na região de 08-0,9pm com atenuação da ordem de 3 a 6 dB/km. Por outro lado, neste mesmo período, desenvolvem-se os primeiros sistemas experimentais com fibras multi- modo operando em 1300nm [24]. Estes últimos eram construídos com diodos laser, LED's, fotodiodos PIN e APD's de InGaAsP, ou ainda, fotodiodos APD de germânio.

Em 1979 foi anunciada, no Japão, a fabricação de fibra monomodo com ate- nuação inferior a 0,20 dB/km para a região espectral de 1550nm [37]. Atingiam-se, assim, os mais baixos níveis de perdas em fibras de silicio, resultando em importantes repercussões na concepção de sistemas de transmissão em distâncias muito longas. A partir dai, as fibras monomodo, assim como sistemas com este tipo de fibra, concen- traram rapidamente os esforços de pesquisa e desenvolvimento em vários países.

A instalação, o teste e a operação da 2"eração de sistemas comerciais, com fibras ópticas multimodo operando na região de 1300nm, começaram na maior parte dos

países desenvolvidos no período de 1980-1981 [24, 381. Esta geração de sistemas con- tinua a ser instalada, até hoje, em inúmeros países.

A 3Qeração de sistemas comerciais inicia-se em 1984 e caracteriza-se pela introdução das fibras monomodo operando em 1300nm. Esses sistemas, com dispersão muito pequena, permitiram o aumento das taxas de transmissão para até 800 Mbps, com distâncias entre repetidores da ordem de 40 krn.

Por outro lado, em 1981, foi demonstrada, na Inglaterra, a operação de uma fibra monomodo com características de dispersão mínima na região de 1550nm [39]. Este tipo de fibra, conhecida como fibra com dispersão deslocada, permitia usufruir das perdas extremamente baixas, na região de 1550nm, associadas às vantagens da dispersão zero a qual era comum à região de 1300nm. Foi então possível a concepção de sistemas associando características de muito longo alcance com grande capacidade de trans- missão, utilizados principalmente para transmissão através de cabos submarinos.

Vários sistemas experimentais operando com fibras monomodo na faixa de 1550nm, considerados os precursores da 4"eração de sistemas comerciais, foram relatados a partir de 1982. Na Inglaterra, um sistema operando na região de 1520nm permitia um alcance de 102 km sem repetidores a 140 Mbps [40]. No Japão era experi- mentado, em 1982, um sistema de 1550nm com taxa de transmissão de 2 Gbps e alcance sem repetidores igual a 5 1,5 krn [4 11.

Em 1982, foram obtidos importantes avanços tecnológicos no manuseio de cabos de fibras monomodo, como, por exemplo, as primeiras demonstrações de emendas de fibras monomodo, feitas no campo, com perdas inferiores a 0,2 dB [42]. Conectores para fibras monomodo com perdas inferiores a 0,3 dB ficaram come~cialmente dispo- níveis nos EUA, Europa e Japão em 1983 [43]. Ainda em 1983 é anunciada a fabricação de fibras monomodo com núcleo segmentado [44], pertencente à família de fibras monomodo com dispersão plana que tem como características a dispersão zero em dois comprimentos de onda e uma região intermediária com dispersão muito baixa [45].

No período de 1983-1984 foram colocados em operação regular vários sistemas de 3Qeração (1300nm) com capacidade de transmissão bastante superior à dos sistemas comerciais pioneiros. Por exemplo, no Japão é instalado, no período, um sistema em 1300nm, a 400 Mbps, com alcance sem repetidor de até 25 km [46], enquanto, nos EUA, entra em operação um sistema a 1,7 Gbps com alcance de até 40 km [47].

As fibras monomodo com dispersão deslocada, anunciadas em 1981, ficaram disponíveis comercialmente em 1985. Neste ano são experimentados vários sistemas explorando os limites da tecnologia, para aumentar, de um lado, a capacidade de trans- missão dos sistemas e, de outro, o alcance sem repetidor. Esta última tendência é particularmente motivada pelo desenvolvimento de sistemas com cabos submarinos. Nos

8 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto & Sistemas

EUA, o AT&T Bell Laboratories desenvolve um sistema experimental com capacidade de transmissão de 4 Gbps em distância sem repetidores de 103 km [45]. Na Inglaterra, sistemas experimentais em l55Onm, com fibras monomodo com dispersão deslocada, conseguem alcances de 220 km e 230 km, em taxas de 140 Mbps e 34 Mbps, respec- tivamente [45]. Nos EUA experimenta-se um sistema em 1550nm, também com fibra monomodo com dispersão deslocada e utilizando a técnica de multiplexação de compri- mentos de onda (10 canais) para obter uma capacidade de transmissão fantástica da ordem de 2.000 Gbps.krn [47].

Em 1986, são anunciados no Japão dois sistemas experimentais: um da empresa KDD operando a 2 Gbps na faixa de 1548nm com alcance de 108 krn e outro da NEC em 1530nm, com taxa de transmissão de 565 Mbps e alcance de 240 km [48]. No BRTL, na Inglaterra, no mesmo ano, é experimentado um sistema em 1550nm operando a 2,4 Gbps e alcance de 71 km [49]. Todos estes sistemas acima, considerados de 4Qeração (1550nm), baseavam-se na utilização de fibras monomodo com dispersão deslocada e de diodos laser DFB disponíveis comercialmente desde 1986 [48]. Os diodos laser DFB utilizam-se de uma técnica de realimentação distribuída, primeiramente demonstrada em 1971 com um laser DYE [50] e que garante uma emissão de luz mais coerente, reduzindo os efeitos da dispersão cromática.

Embora a 4Qeração de sistemas comerciais de transmissão por fibras ópticas esteja em seu início, já é possível conceber uma 5"eração de sistemas em função dos avanços recentes da pesquisa e desenvolvimento da área. Os sistemas de transmissão por fibras ópticas coerentes, por exemplo, que vêm sendo estudados desde 1978 [51], permitem um ganho de desempenho da ordem de 12 a 15 dB com relação aos sistemas de detecção óptica direta. Isto implica a possibilidade de alcances sem repetidores ainda maiores, o que é particularmente interessante aos sistemas de cabos submarinos e, de uma maneira geral, aos sistemas de transmissão banda-larga em grandes distâncias. Experimentos com sistemas coerentes relatados em 1987 demonstravam, por exemplo, operação satisfatória a 400 Mbps em distâncias de até 290 quilômetros [52]. Mais recentemente, têm sido propostos enlaces locais coerentes para distribuição de TV.

Em 1988, entrou em operação o primeiro sistema com cabo óptico submarino transatlântico (TAT-8) operando a 2 x 280 Mbps, com fibras monomodo na região de 1,3pm, numa distância total (EUA-Europa) de 7500 km com repetidores a cada 60 km [53]. Neste mesmo ano, em Taiwan, foi colocada em prática uma aplicação pioneira de sistema (417 Mbps) com cabo óptico submarino sem repetidores (104 km), operando com 8 fibras monomodo na janela de 1,55pm e atenuação da ordem de 0,24 dB/km [54].

Os esforços de P&D atuais têm ;ido orientados para a busca, por um lado, de sistemas de maior capacidade de transmissão e, por outro lado, de sistemas com alcance sem repetidores cada vez maiores. Nesse sentido, tem-se procurado trabalhar com sis-

temas operando em comprimentos de onda para os quais a atenuação das fibras ópticas seja a mais baixa possível. Vários materiais semicondutores para operação em compri- mentos de onda superiores a 1,55pm vêm sendo intensivamente investigados. Do lado das fontes luminosas, busca-se utilizar fontes mais potentes e com menor dispersão cromática possível (emissão mais coerente), como C o caso, por exemplo, dos diodos laser com realimentação distribuída (DFB). Em termos de recepção óptica, avança-se no desenvolvimento de receptores ópticos com níveis de detecção (sensibilidade) próximos ao limite quântico, por meio das técnicas de detecção coerente homódina e heteródina.

Um importante desafio a ser enfrentado no desenvolvimento de sistemas de transmissão por fibras ópticas C a chamada barreira eletrônica. Essa barreira reflete o fato da limitação dos sistemas não ser causada pela banda passante da fibra óptica e da fonte luminosa utilizada, mas sim pelos componentes eletrônicos usados para o processa- mento de sinais. Entretanto, com o crescente desenvolvimento da tecnologia de óptica integrada na realização de dispositivos ópticos de processamento de sinais, espera-se superar satisfatoriamente essa limitação (sistemas WDM e FDM).

Enfim, C interessante observar ao leitor que a relativa juventude da tecnologia de transmissão por fibras ópticas e a sua explosiva diversificação, espelhada na variedade de aplicações, impede abordagens históricas rigorosas. Desse modo, este breve histórico apresentado deve ser considerado apenas como um roteiro didatico, referenciando a evolução da tecnologia de transmissão por fibras ópticas.

A Tabela 1.1 sumanza os principais eventos históricos em comunicações ópti- cas destacados no texto.

Tabela 1.1 Sumário histórico das comunicaç6es ópticas.

600 AC

1791

1870

1880

1910

Gregos

Chappe (França)

Tyndall (Inglaterra)

Bell (EUA)

Hondros e Debye (Alemanha)

Sistema de telecomunicações visual através de sinais de fogo e estações (humanas) repetidoras [ l ]

Invenção do Semaphore - sistema de telecomunicações visual através de dispositivos mecânicos (braços) operados manualmente e instalados no alto de torres [I. 21

Experiência com transmissão de luz com o uso de um f i o jato de água [4,5]

-

Invenção do Photophone - sistema para transmitir voz utilizando-se de um feixe de luz [3]

Análise de guias de onda dielétricos [6]

10 Fibra Ópticas : Tecnofogia e Projeto de Sistemas

Lamb (Alemanha) Primeiras experiências de transmissão de luz em fibras de vidro [4]

Heel (Holanda) Hopkins e Kapany (Inglaterra)

1958

, 1960 1 Maiman (EUA) I Operação do primeiro faser a rubi [e] 1

Invenção do Fiberscope - sistema de transmissão de imagens através de um feixe flexível de fibras [I, 41

1958-1959

Shawlow e Townes (EUA)

Primeira demonstração de emissão de luz não coerente (LED) (12, 1 51

Invenção do laser [7]

Kapany e outros (Inglaterra)

1962

1 l9lj4 1 Nishizawa e outros Proposta de guia de onda óptico de gás com variação gradual do (Japão) índice de refração [13, 21

Proposta fibra óptica com estrutura de núcleo e casca [4,5]

Kao e Hockham (Inglaterra)

I I

EUA

Melchior e Lynch (EUA)

Primeiro fotodiodo PIN de silício de alta velocidade [11]

Sugestão de uso de fibras de vidro com núcleo e casca em sistemas de transmissão a longa distância

Fotodiodo de avalanche (APD) de germânio de alta velocidade [15]

Kawakarni e Nishizawa (Japão)

Kasonochy e out~os (EUA)

Uchida e outros (Japão) Pearson e outros (EUA)

Análise de fibra óptica com índice gradual [16]

Primeiro diodo laser com dupla heteroestrutura (DHS) [21]

Primeiras preformas de fibras ópticas com índice gradual [17, 181

Kapron e Keck (EUA)

Kayashi e outros (EUA)

Fabricação de fibra óptica com atenuação de 20 dB/km [19]

Primeiro diodo laser com operação contínua em temperatura am- biente [20]

1971 Burrus e Miller

Gloge (EUA)

Primeiro LED para transmissão por fibra óptica [22]

Teoria simplificada de fibras ópticas [23]

Stone (EUA) Desenvolvimento de fibras ópticas com núcleo líquido [26] I Corning Glass Works (EUA)

Fabricação de fibra multirnodo com perdas de 4 dB/km [5,25]

1975

1976

Goodwin e outros (EUA)

EUA

EUA

Dentai e outros (EUA)

Bell Labs (EUA)

Payne e Garnbling (Inglaterra)

Horiguchi e Osanai (Japão)

Inglaterra

Sistema experimental em campo a 45 Mbps na região de 0,82pm [24]

Primeiro sistema telefônico com fibra óptica em operação regular [ l ]

EUA, Europa e Japão

Fibra óptica com 2.5 dB/km [27.28]

Reconhecimento da janela de dispersão mínima (1300nm) para fibras ópticas de sílica [31]

Fibra óptica com 0.47 dB/km em 1200nm [32]

Primeiro sistema de CATV com fibras ópticas [ I ]

Diodo laser com vida útil superior a 7.000 hs [33]

Desenvolvimento de LED de alta radiança em 1300nm [35]

Primeira geração de sistemas comerciais a 0,85pm em testes de campo [24,36]

EUA, Europa e Japão

Primeiros sistemas experimentais com fibras multimodo em 130Onm 1241

1979

1 1981 1 Ainslie e outros Demonstração de fibra monomodo com desvio de dispersão zero (Inglaterra) para 1550nm [39]

1 1980-1981

Malyion e McDonna (Inglaterra)

Miya e outros (Japão)

Yamada e outros (Japão)

Anunciada fibra monomodo com 0,20 dB/km em 1550nrn [37]

EUA, Europa e Japão

Stern e outros (Inglatena)

Instalação, teste e operação da segunda geração de sistemas comer- ciais (1,3pm) [24,38]

Sistema experimental em 1,52pm com alcance sem repetidores de 102 krn [40]

Sistema experimental em 1,55pm a 2 Gbps com alcance de 51.5 km i411

Primeiras demonstrações no campo de emendas de fibras monomodo com perdas de 0.2 dB [42]

12 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

1983

1984

1985

1986

1987

1988

Bhagavatula (Inglaterra)

EUA, Europa e Japão

Japão

EUA

AT&T Bell Labs (EUA)

Inglaterra

EUA, Europa e Japão

Olsson e outros (EUA)

KDD (Japão)

NEC (Japão)

BRTL (Inglaterra)

EUA, Europa e Japão

Iwashita e Matsumoto (Japão)

EUA, Europa

Tai w an

- -- - - -

Fibra monomodo com núcleo segmentado (fibra com dispersão plana) r441

Conectores para fibras monomodo com perda inferior a 0,3 dB comercialmente disponíveis [43]

Sistema comercial em 1300nrn a 400 Mbps e alcance sem repetidor até 25 krn [46]

Sistema comercial em 1300nm a 1.7 Gbps até 40 km [47]

Sistema experimental a 4 Gbps com 103 km de alcance [45]

Sistemas experimentais de fibras moiiomodo com dispersão deslocada mínima com alcance de 220 km (140 Mbps) e 230 km (34 Mbps) [45]

Fibras monomodo com dispersão deslocada mínima comercial- mente disponíveis

Sistema experimental em 1,55pm com capacidade de 2000 Gbps.km usando 10 canais WDM [47]

Sistema experimental em 1 5 4 8 ~ 1 , com fibras monomodo com dispersão deslocada a 2 Gbps e alcance de 108 krn [48]

Sistema experimental em 1 5 3 0 ~ 1 , com fibras monomodo com dispersão deslocada a 565 Mbps e alcance de 240 krn [48]

Sistema experimental em 1550nn-1, com fibra monomodo com dispersão deslocada a 2,4 Gbps e alcance de 71 krn [49]

Diodo laser DFB disponível comercialmente [48]

Sistema coerente experimental a 400 Mbps com 290 km de alcance [52]

Operação do 1' cabo óptico submarino transatlântico (TAT-8) entre EiiA e Europa (França e Inglaterra) [53]

Cabo óptico submarino de 34 geração (1,55pm) sem repetidores (104 km) [54] - - - -- -- -- -- -

Introdução 13

1.2 Elementos Básicos

Um sistema de transmissão por fibras ópticas, de um morio geral, é constituído basi- camente por um transmissor óptico, um receptor óptico e um cabo de fibra óptica, conforme ilustrado no esquema da Figura 1.1.

1.2.1 Transmissor Óptico

O transmissor óptico é composto por um dispositivo emissor de luz e o circuito driver associado. O dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do sistema, é o respon- sável pela tarefa de conversão eletro-óptica dos sinais. Dois tipos de dispositivos são comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os diodos laser (DL's) e os diodos eletroluminescentes (LED's). O circuito driver tem as funções de polarização elétrica e de comando da emissão de potência luminosa pelo dispositivo emissor de luz. A capacidade de transmissão (assim como a potência emitida por um transmissor óptico) é função do tipo de dispositivo emissor de luz utilizado, sendo os com diodo laser geralmente superiores aos com LED's, a custo de uma maior complexidade do transmissor.

1.2.2 Receptor Óptico

O receptor óptico compõe-se de um dispositivo fotodetector e de um estágio eletr6nico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotodetector, outro elemento ativo básico de sistemas de transmissão por fibras ópticas, é o responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em sinal elétrico. Os fotodetectores, comumente associados à tecnologia de transmissão por fibras ópticas, são os fotodiodos PIN e os fotodiodos de avalanche (APD's). O estágio eletrdnico, associado ao fotodetector, tem a função básica de filtrar e amplificar o sinal elétrico convertido. A qualidade de um receptor óptico é medida pela sua sensitividade, a qual especifica a potência luminosa mínima necessária para deter- minado desempenho em termos de relação sinal-ruído (SIN) ou de taxa de erros de transmissão. Além das fontes convencionais de ruído, associadas aos estágios eletrô- nicos, afetam o desempenho dos receptores ópticos as fontes de ruído características do processo de conversão opto-eletronica. De um modo geral, os receptores ópticos com fotodiodos de avalanche, mais complexos, apresentam desempenho superior aos com fotodiodos PIN.

14 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Figura 1.1 Sistema básico de comunicações por fibras ópticas.

1.2.3 Fibra Óptica

Afibra óptica, por sua vez, corresponde ao meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Formada por um núcleo de material dielétnco (em geral, vidro) e por uma cmca de material dielétrico (vidro ou plástico) com índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, a fibra óptica propaga a luz por reflexões sucessivas, conforme ilustrado na Figura 1.1. Esta estrutura básica da fibra óptica, na prática, é envolta por encapsulamentos plásticos de proteção mecânica e ambiental, formando um cabo óptico que pode conter, conforme a aplicação, uma ou mais fibras.

A banda passante de uma fibra óptica é função, além do seu comprimento, da sua geometria e do seu perfil de índices de refração. Existem duas classes principais de fibras ópticas: as monomodo e as multimodo. As fibras ópticasyonomodo, de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação (ou, em termos de óptica geométrica, transmitem apenas o raio axial). As fibras multimodo, por seu lado, possuem vários modos de propagação e, de acordo com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao núcleo, classificam-se em: índice degrau e índice gradual. Dentre as fibras multimodo, as com índice gradual apresentam bandas passantes superiores às com índice de grau.

A atenuação em fibras ópticas é causada por múltiplas fontes, desde as perdas por absorção, intrínsecas ao material que compõe a fibra, até perdas devidas às imper- feições na sua fabricação. Compostas principalmente por síiica (vidro) e dopantes semi- condutores, as fibras ópticas caracterizam-se pela existência de regiões espectrais onde a atenuação é mínima. Essas regiões, conhecidas como janelas de transmissão, situam-sc em tomo dos seguintes comprimentos de onda: 850nrn, 1300nm e 1550nm.

1.2.4 Acoplamento e Conexões

O acoplamento da fibra óptica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores, cm razão das dimensões envolvidas, exige o uso de técnicas sofisticadas e de muita precisão, a fim de limitar as perdas de acoplamento. A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibra óptica pode ser realizada de modo permanente através de emendas ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. As junções multiponto utilizam-se de acopladores de diversos tipos.

16 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

1.2.5 Modulação

Em sistemas de transmissão por fibras ópticas, como nos sistemas convencionais, a informação é transmitida modulando-se a emissão da portadora luminosa. A modulação da fonte luminosa pode ser feita com sinais elétricos p ~ @ ~ o u _IIzsaY. No caso analógico, a intensidade do feixe luminoso emitido varia continuamente, enquanto que, no caso da modulação digital, a intensidade de luz tem variação discreta na forma de pulsos luminosos do tipo on-off.

Os sistemas de transmissão por fibras ópticas do tipo digital, conforme ilustrado na Figura 1.1, envclvem o uso de um codificador, onde o sinal digital vindo da fonte de informação é codificado convenientemente para a transmisszo óptica, e de um decodi- ficador que, no lado da recepção, se encarrega de decodificar a informação digital original. Esta relativa maior complexidade dos sistemas digitais é, no entanto, largamente compensada, na prática, pelo desempenho superior em termos de capacidade de trans- missão (banda passante) e de alcance.

Os sistemas analógicos de transmissão por fibras ópticas, embora mais simples de serem implementados, geralmente apresentam um desempenho inferior ao dos sis- temas digitais, limitando sua utilização a aplicações em distâncias mais curtas e de menor capacidade. Este desempenho inferior dos sistemas analógicos deve-se à exigência de maiores relações de potência sinal-ruído na recepção analógica, não podendo usufruir das vantagens do uso de repetidoreslregeneradores de sinal, como podem os sistemas di- gitais. Um outro fator limitante dos sistemas analógicos é a dificuldade de se obterem fontes luminosas adequadas que operem linearmente em altas frequências.

1.2.6 Processamento de Sinais

O processamento de sinais em sistemas de transmissão por fibras ópticas, no nível do transmissor óptico e do receptor óptico, é em geral feito eletncamente. Esta situação, no

I entanto, vem sendo alterada gradativamente em função do desenvolvimento crescente de dispositivos de óptica integrada que permitem o processamento óptico de sinais.

Introdução 17

1.2.7 Espectro de Transmissão

As frequências ópticas associadas aos sistemas de comunicações por fibras ópticas costumam ser referenciadas em termos de comprimentos de onda a fim de diferenciá-los dos sistemas eletromagnéticos convencionais. Dentro de uma faixa espectral (Figura 1.2), começando na região do infravermelho distante (-lOOpm), passando pelo espectro visível (390 a 770nm) e terminando no ultravioleta (50nm). as frequências ópticas oferecem possibilidades fantásticas quanto à capacidade de transmissão dos sistemas. Por exemplo, considerando-se apenas a faixa de 1014 - 1015 Hz (100 a 1000 Terahertz), pode-se, teoricamente, alcançar capacidades de transmissão da ordem de 104 vezes superiores às dos atuais sistemas de microondas.

Os sistemas de transmissão por fibras ópticas desenvolvidos até hoje operam principalmente na região espectral de 0,6-1,6pm, com preferência para as janelas de transmissão em 0,85pn, 1 , 3 p e 1 , 5 5 p . Nessa região, já existem materiais semicon- dutores (Si, Ge, AlGaAs, InGaAsP etc.) adequados à fabricação de fontes luminosas e fotodetectores de bom desempenho, bem como de fibras ópticas com atenuação muito baixa. É importante observar, no entanto, que estas fronteiras não são estáticas, mas um resultado de contínuos avanços tecnológicos.

1.3 Tipos de Sistemas

Os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ser classificados, para fins de análise e apresentação de sua tecnologia, segundo algumas de suas características básicas. Estas características estão associadas às aplicações dos sistemas, ou ainda à especificidade de alguma técnica, configuração ou dispositivo utilizado pelo sistema. Assim, por exemplo, além da configuração básica ponto-a-ponto, mostrada na Figura 1.1, existe uma outra configuração geral de sistemas, que é a multiponto. Com relação ao tipo de informação transportada pela fibra óptica, pode-se distinguir, conforme visto ante- riormente, os sistemas analógicos e os digitais. Embora não haja uma fronteira bem delimitada, os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ainda ser classificados, segundo o seu porte, em sistemas de longa distância e sistemas locais ou de curta distância. Uma outra classificação, mais sofisticada, porém representativa de uma impor- tante tendência no desenvolvimento de sistemas de transmissão com fibras ópticas, diz respeito à técnica de modulação e de detecção utilizada, distinguindo os sistemas de detecçáo direta e os sistemas-de detecçáo coerente. O uso da técnica de multiplexação

18 Fibra Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

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Figura 1.2 Espectro eletromagnético destacando a região de comunicações por fibras ópticas.

por divisão em comprimento de onda (WDM) em fibras ópticas dá origem, por sua vez, aos sistemas com multiplexação WDM. Por outro lado, o crescente desenvolvimento de dispositivos de processamento óptico de sinal permite conceber os sistemas com óptica integrada.

Embora não constituam propriamente sistemas de comunicações com fibras ópticas, estão associados ao desenvolvimento da tecnologia correspondente dois outros tipos de sistemas. O primeiro deles faz uso de fibras ópticas não para fins de comu- nicações, mas em sistemas sensores e de instrumentação. O segundo tipo a considerar é o dos sistemas de comunicações ópticas sem fibra óptica que, em determinadas con- dições, tem sua aplicação favorecida.

1.3.1 Sistemas Ponto-a-Ponto e Multiponto

A configuração ponto-a-ponto, ilustrada na Figura 1.1, C a configuração básica da maioria dos sistemas de'transmissão por fibras ópticas existentes. Mesmo os sistemas com repetidores ou amplificadores intermediários'para aumentar o alcance ou em confi- gurações na topologia em anel constituem, na verdade, uma cadeia de sistemas ponto-a- ponto, envolvendo em cada ponto as necessárias conversões opto-eletrônicas ou vice-versa. A incorporação de fibras ópticas em sistemas de transmissão ponto-a-ponto é bastante facilitada em razão da característica essencialmente unidirecional da trans- missão em fibras ópticas.

Sistemas do tipo multiponto, configurados em barramento, como na Figura 1.3, têm sido objeto de urna variedade de experiências e implementações fazendo uso de fibras ópticas como meio de transmissão. Este tipo de configuração, bastante comum em aplicações locais, enfrenta problemas no uso de fibras ópticas, em função das difi- culdades de acoplamento bidirecional e de derivação de potência luminosa nas conexões multiponto. No entanto, novas configurações alternativas, fazendo uso de acopladores especiais, têm permitido superar essas dificuldades, caracterizando, ao mesmo tempo, uma tecnologia bastante singular, conforme veremos nos Capítulos 6 e 7.

20 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

I I

TOIRO TOIR0

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TOIR0 r ' 1 1 ' TOIR r q j TO Transmissor Óptico

*C--- --- R 0 Receptor Óptico

I I I I 1 I I t ,

Figura 1.3 Configuração multiponto em barramento.

1.3.2 Sistemas de Longa Distância e Locais

Esta classificação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas, adotada no texto para a caracterização da tecnologia associada, é baseada em alguns critérios técnicos e, sobre- tudo, nas características comuns de suas aplicações. Não há, portanto, uma fronteira rígida entre a distância longa e a distância considerada curta.

Os sistemas de longa distância são utilizados principalmente na interligação ponto-a-ponto de centrais ou sistemas telefdnicos, em nível nacional e internacional. As distâncias envolvidas, que podem ser intercontinentais, como no caso dos cabos sub- marinos, fazem com que os sistemas de longa distância tenham um desempenho limitado principalmente pela atenuação da fibra óptica, exigindo, de um modo geral, o uso de repetidores intermediários ao longo do sistema. As conexões ponto-a-ponto, caracte- rísticas destes sistemas, implicam o uso de uma tecnologia de conexão relativamente simples. Pioneiros na utilização de fibras ópticas, os sistemas de transmissão a longa distância têm sido o principal vetor no desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas. No entanto, por serem consumidores de fibras ópticas em grandes quantidades (na forma

de cabos ópticos multifibras) e viabilizarem a sua produção em larga escala, os sistemas de longa distância favoreceram o aparecimento de novos sistemas com implicações distintas quanto ao desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas e dos componentes associados.

Os sistemas de curta distância, tamb6m chamados sistemas locais, em geral, são limitados a distâncias de, no máximo, alguns quil6metros, e estão associados princi- palmente a configurações do tipo multiponto, envolvendo um grande número de estações geograficamente espalhadas. Estas características gerais dos sistemas locais têm impli- cações especiais quanto ao tipo de tecnologia de transmissão por fibras ópticas a ser utilizado. Por exemplo, as pequenas distâncias implicam um sistema geralmente limitado pela dispersão (banda passante) e não pela atenuação da fibra óptica. Por outro lado, a existência de múltiplas fontes e destinatários de informação, em configuração multi- ponto, implica o uso de uma tecnologia de conexão multiponto apropriada. Além disso, a variedade de aplicações existentes em nível local tem favorecido o desenvolvimento de novas técnicas e o surgimento de novos componentes e dispositivos, permitindo carac- terizar uma tecnologia própria de transmissão por fibras ópticas para sistemas locais.

1.3.3 S is temas de Detecção Direta e de Detecção Coerente

Os sistemas atuais de transmissão por fibras ópticas baseiam-se, quase que exclusi- vamente, na emissão de uma portadora luminosa modulada (digital ou analógica) dire- tamente em intensidade. Do lado da recepção, o processo de detecção da portadora luminosa constitui-se basicamente num processo de contagem de fótons. Neste tipo de detecção, conhecido por detecção direta, os fótons recebidos da fibra óptica são conver- tidos em pares eldtron-buraco, sem nenhuma consideração quanto às características de fase e de polarização da portadora eletromagnética. A implementação deste tipo dc sistema é grandemente facilitada, pois exige apenas componentes ópticos largamente disponíveis atualmente.

Um outro tipo de sistema, que representa uma importante tendência no desen- volvimento de sistemas de transmissão por fibras ópticas, é o dos sistemas com detecção coerente ou, simplesmente, sistemas coerentes. Os sistemas coerentes baseiam-se no uso da técnica de modulação em frequência ou em fase de uma portadora luminosa coerente. Na recepção podem ser utilizadas as duas técnicas convencionais de dctecção coerente: homódina ou heteródina. A Figura 1.4 apresenta o diagrama esquemático de um sistema coerente com detecção heteródina. Embora em fase experimental, os sistemas coerentes

I oferecem, desde já, possibilidades de melhoria do alcance e da capacidade de transmissão I

22 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

com relação aos sistemas com detecção direta. Este tipo de sistema, no entanto, exige uma tecnologia ainda em desenvolvimento, tais como fontes luminosas bastante coe- rentes e estáveis, além de fibras ópticas monomodo especiais, capazes de transmitir um único estado de polarização do modo propagado. A polarização do sinal óptico na extremidade da fibra pode ser ajustada através de adaptadores ópticos especiais (lâminas birefringentes), enquanto a realização de misturadores de frequência óptica eficientes requer técnicas de óptica integrada.

Oscilador Oscilador bptico local óptico local (diodo laser) (diodo laser) -

Figura 1.4 Sistema coerente com delecção heteródina.

1.3.4 Sistemas com Multiplexaçáo WDM

A multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) corresponde, simples- mente, & técnica de multiplexação por divisão em frequência (FDM) aplicada aos sis- temas operando nas frequências ópticas. Duas grandes motivações têm orientado o desenvolvimento de sistemas WDM: o aumento da capacidade de transmissão dos sis- temas e a possibilidade de transmissão bidirecional simultânea em fibra óptica.

A capacidade de transmissão de um sistema com fibras ópticas já instalado pode ser ampliada, criando-se novos canais de transmissão em comprimentos de onda conve- nientemente separados. Do mesmo modo, utilizando-se comprimentos de onda distintos, pode-se transmitir simultaneamente nos dois sentidos da fibra óptica. A mistura (multi- plexação) e a separação (desmultiplexação) dos sinais nos diversos comprimentos de onda, nas extremidades da fibra óptica, é realizada por meio de lentes e acopladores especiais. Um diagrama esquemático ilustrando os princípios dos sistemas com multi- plexação WDM é apresentado na Figura 1 .S.

Introduçáo 23

Figura 1.5 Sistema com multiplexação WDM.

L, b, ... ,h - I---- L,, L* . .. ,Lm -

TO, Transmissor óptico RO, Receptor óptico h, Comprimento de onda

1.3.5 S is temas c o m Ópt ica Integrada

A crescente incorporação de dispositivos de processamento de sinal óptico em sistemas de transmissão por fibras ópticas está dando origem aos sistemas com óptica integrada. Estes dispositivos que podem atuar tanto ao nível dos transmissores e receptores ópticos (moduladores, filtros, amplificadores etc.) como ao nível de interconexão (chaves comu- tadoras, acopladores direcionais etc.) oferecem vantagens em termos de, por exemplo, velocidade e eficiência do processamento com relação aos dispositivos eletrôiiicos elou mecânicos. Embora envolvam uma tecnologia ainda em fase de pesquisa e desenvol- vimento, os dispositivos de óptica integrada constituem, desde já, uma importante refe- rCncia para o desenvolvimento de novos sistemas de transmissãopor fibras ópticas.

Demux WDM

WDM

1.3.6 S is temas de Instrumentação

RO,

R02

"+Io,t- qyk

Este tipo de sistema, apesar de não se constituir propriamente num sistema de comu- nicações por fibras ópticas, representa uma área pioneira de aplicação das fibras ópticas

24 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

que é a de instrumentação médica. Nestes sistemas, a fibra óptica é utilizada princi- palmente para iluminação (luz visível) e observação (olho humano como receptor óptico) em lugares de difícil acesso, tais como órgãos no interior do corpo humano. Mais recentemente, as fibras ópticas acopladas a fontes luminosas potentes (laser) começaram a ser utilizadas também como ferramentas cirúrgicas de precisão. As fibras ópticas e componentes associados, nos sistemas de instrumentação, têm características específicas, constituindo-se numa tecnologia à parte (dimensões, espectro de 'transmissão, conec- tividade etc.).

I .3.7 Sistemas Sensores

Uma outra aplicação das fibras ópticas que não corresponde aos sistemas de comu- nicações por fibras ópticas propriamente ditos C a de sistemas sensores. Neste tipo de sistema, a fibra óptica C utilizada como sensor de estímulos extcmos, tais como a temperatura, a pressão, o campo magnCtico, a rotação etc. Conforme a técnica de modu- lação empregada na emissão de luz através da fibra, pode-se classificar os sistemas sensores com fibras ópticas em dois tipos básicos: sistemas sensores modulados em intensidade e sistemas sensores com modulação de fase [55] .

Os sistemas sensores com modulação em intensidade baseiam-se no princípio de que o fenômeno observado atenua a propagação luminosa na fibra, permitindo assim sua medida. Este tipo de sistema, conceitualmente simples, conforme ilustrado na Figura 1.6; C o mais difundido, podendo operar com fibras multimodo e componentes sem grandes sofisticações.

Nos sistemas sensores com modulação de fase, são sensoreados os movimentos do objeto observado que induzem variação da fase de luz propagada na fibra. Este tipo de sistema sensor oferece maior sensitividade e flexibilidade geométrica, a custo de uma maior sofisticação dos seus componentes (fibras monomodo, lasers, polarizadores es- peciais etc.). A tecnologia envolvida nos sistemas sensores com modulação de fase é bastante semelhante à dos sistemas coerentes.

Introdução 25

fibra óptica

Figura 1.6 Sistema sensor com modulação de intensidade por estímulo externo.

1.3.8 Sis temas de Comunicações Ópticas sem Fibra Óptica

Este tipo de sistema que não faz uso de fibras ópticas não C muito adequado, evi- dentemente, aos propósitos de apresentação da tecnologia de transmissão por fibras ópticas e suas aplicações. Os transmissores e receptores ópticos nestes sistemas têm requisitos próprios em função do meio de transmissão utilizado (ar ou espaço livre). Isto implica o desenvolvimento de componentes ópticos com características particulafes, caracterizando, portanto, uma tecnologia de comunicações ópticas distinta.

Os sistemas de comunicações ópticas sem fibra óptica podem constituir-se uma importante referência em aplicações onde a instalação permanente de um meio físico dc interligação C inconveniente ou impraticável. É o caso, por exemplo, de sistemas de transmissão envolvendo estações com alto grau de mobilidade, ou ainda sistemas dc comunicações "espaciais" entre satélites, espaçonaves etc.

Referências Bibliográficas

[ O l ] LACY, E.A. - Fiber Optics. Prentice-Hall, 1982.

[O21 OKOSHI, T. - Optical Fibers. Academic Press, 1982.

[O31 CHERIN, A.H. - An Introduction to Optical Fibers. McGraw-Hill, 1983.

2.1 VANTAGENS DAS FIBRAS ÓPTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1 Rede Telefônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Rede Digital de Serviços integrados (RDSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.................................................. 2.2.3CabosSubmarinos

2.2.4 Televisãlo por Cabo (CATV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Sistemas de Energia e Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Redes Locais de Computadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 SISTEMAS SENSORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Aplicaçdes Industriais ............................................... 2.3.2 Aplicaçks Médicas .................................................. 2.3.3 Automóveis .......................................................

2.4 APLICAÇÕES MILITARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Comunicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 AplicaçOes Específicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Aplicaçóes 31

Neste capítulo são destacadas inicialmente as qualidades e méritos que motivam o uso de fibras ópticas como meio de transmissão. A seguir são apresentadas as aplicações atuais e potenciais das fibras ópticas em sistemas de comunicações. O uso de fibras ópticas em aplicações específicas, tais como sistemas sensores na área industrial ou militar, ou sistemas de instrumentação, particularmente nas aplicações médicas, é abordado no final do capítulo.

2.1 Vantagens das Fibras Ópticas

As características especiais das fibras ópticas implicam consideráveis vantagens em relação aos suportes físicos de transmissão convencionais, tais como o par metálico e o cabo coaxial. Mesmo considerando-se o suporte de rádio-frequência em microondas, a transmissão por fibras ópticas oferece condições bastante vantajosas. As poucas desvan- tagens no uso de fibras ópticas podem, em geral, ser consideradas transi~órias, pois resultam principalmente da relativa imaturidade da tecnologia associada.

As principais características das fibras ópticas, destacando suas vantagens como meio de transmissão, são as seguintes:

a) Banda passante potencialmente enorme

A transmissão em fibras ópticas é realizada em frequências ópticas porta- doras na faixa espectral de 1014 a 1015 Hz (100 a 1000 THz). Isto significa uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes su- perior, por exemplo, à capacidade dos atuais sistemas de microondas que operam com uma banda passante útil de 700 MHz. Além de suportar um aumento significativo do número de canais de voz e/ou de vídeo num mesmo circuito telefônico, essa enorme banda passante permite novas apli- cações impossíveis de serem concebidos anteriormente. Atualmente, já estão disponíveis fibras ópticas comerciais com produtos banda passante versus distância superiores a 200 GHz.km. Isso contrasta significativa- mente com os suportes convencionais onde, por exemplo, um cabo coaxial apresenta uma banda passante útil máxima em tomo de 400 MHz. A Figura 2.1 compara as características de atenuação (plana) versus frequência de uma fibra óptica típica com relação a vários suportes de transmissão usados em sistemas telefônicos [I ,2].

32 Fibras Ópticas: Tecnolonia e Projeto de Sistemas

Frequência (MHz)

a) Par trançado, cabo coaxial e fibra óptica típica

Frequência (MHz)

b) Vários cabos coaxiais e fibra óptica típica

Figura 2.1 Atenuação versus frequência [1,2].

Aplicações 33

b) Perdas de transmissão muito baixas

As fibras ópticas apresentam atualmente perdas de transmissão extrema- mente baixas, desde atenuações típicas da ordem de 3 a 5 dB/km na região em torno de 0,85pm até perdas inferiores a 0,2 dB/km para operação na região de 1,55pm. Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de onda superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda menores, da ordem de centésimos e, até mesmo, milésimos de decibéis por quilo- metro. Desse modo, com fibras ópticas, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com um espaçamento muito grande entre SeE?ettgQJ-es, o que reduz significativamente a complexidade e custos do sistema. Enquanto, por exemplo, um sistema de microondas convencional exige repetidores a distâncias da ordem de 50 quilômetros, sistemas com fibras ópticas permitem alcançar, atualmente, distâncias sem repetidores superiores a 200 quilômetros. Com relação aos suportes físicos metálicos, na Tabela 2.1 é feita uma comparação de perdas de transmissão, levando-se em conta um sistema de transmissão por fibras ópticas de 1Qeração (820nm). Observe nessa tabela que, ao contrário dos sistemas com suportes metálicos, os sistemas com fibras ópticas têm perdas constantes para as três taxas de transmissão consideradas.

Tabela 2.1 Comparação de perdas em diferentes meios e taxas de transmissão.

c) Imunidade a integerências e ao ruído

4 Meio de transmissão

Par trançado 26 AWG

Par trançado 19 AWG

Cabo coaxial0,95 rnm

Fibra óptica

As fibras ópticas, por serem compostas de material dielétrico, ao contrário dos suportes de transmissão metálicos, não sofrem interferências eletro- magnéticas. Isto permite uma operação satisfatória dos sistemas de trans- missão por fibras ópticas mesmo em ambientes eletricamente ruidosos.

Perdas na frequência equivalente a metade da taxa de transmissão (dBlkm)

44,736 Mbps

128

5 6

11

3,5

1,544 Mbps

24

10.8

2,1

3.5

6,312 Mbps

48

2 1

4.5

3.5

34 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Interferências causadas por descargas elCtricas atrnosfCricas, pela ignição de motores, pelo chaveamento de reles e por diversas outras fontes de ruído elétrico esbarram na blindagem natural provida pelas fibras ópticas. Por outro lado, existe um excelente c~nfinamento~do sinal luminoso propagado pelas fibras ópticas. Desse modo, nãio irradiando externamente, as fibras ópticas agrupadas em cabos ópticos não interferem opticamente umas nas outras, resultando num nível de rufdo de diafonia (crosstalk) desprezível. Os cabos de fibras ópticas, por não necessitarem de blindagem metálica, podem ser instalados convenientemente, por exemplo, junto às linhas de transmissão de energia elétrica. A imunidade a pulsos eletromagnéticos (EMP) é uma outra característica importante das fibras ópticas.

d) Isolação elétrica

O material dielétnco (vidro ou plástico) que compõe a fibra óptica oferece uma excelente isolação elétrica entre os transccptores ou estações inter- ligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras ópticas não têm problemas com o aterramento e interfaces dos transceptores. Além disso, quando um cabo de fibra óptica C danificado não existem faíscas de curto- circuito. Esta qualidade das fibras ópticas C particularmente interessante para sistemas de comunicação em áreas com gases voláteis (usinas petro- químicas, minas de carvão etc.), onde o risco de fogo ou explosão é muito grande. A não possibilidade de choques elCtricos em cabos com fibras ópticas permite a sua reparação no campo, mesmo com os equipamentos de extremidades ligados.

e) Pequeno tamanho e peso

As fibras ópticas têm dimensões comparáveis com as de um fio de cabclo humano. Mesmo considerando-se os encapsulamentos de proteção, o diâ- metro e o peso dos cabos ópticos sáo bastante inferiores aos dos equi- valentes cabos metálicos. Por exemplo [3], um cabo óptico de 6,3mm de diâmetro, com uma única fibra de di2metro 125 pm e encapsulamento plástico, substitui, em termos de capacidade, um cabo de 7,6cm de diâmetro com 900 pares metálicos. Quanto ao peso, um cabo metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por apenas 3,6 quilos de fibra óptica. A enormc redução do tamanho dos cabos, provida pelas fibras ópticas, permite aliviar o problema de espaço e de congestionamento de dutos nos subsolos das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. O efeito combinado do tamanho e peso reduzidos faz das fibras ópticas o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites etc. AlCm disso, os cabos ópticos oferecem

Aplicações 35

vantagens quanto ao armazenamento, transporte, manuseio e instalação em relação aos cabos metálicos de resistência e durabilidade equivalentes.

f) Segurança da informação e do sistema

As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, impli- cando um alto grau de segurança para a informação transportada. Qualquer tentativa de captação de mensagens ao longo de uma fibra óptica é facil- mente detectada, pois exige o desvio de uma porção considerável de po- tência luminosa transmitida. Esta qualidade das fibras ópticas é importante em sistemas de comunicações exigentes quanto à privacidade, tais como nas aplicações militares, bancárias etc. Uma outra característica especial das fibras ópticas, de particular interesse das aplicações militares, é que, ao contrário dos cabos metálicos. as fibras não são localizáveis através de equipamentos medidores de fluxo eletromagnético ou detectores de metal.

g) Flexibilidade na expansão da capacidade dos sistemas

Os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ter sua capacidade de transmissão aumentada gradualmente, em função, por exemplo, do tráfego, sem que seja necessária a instalação de um novo cabo óptico. Basta para isso melhorar o desempenho do^ lransceptores, seja, por exemplo, substi- tuindo-se LED'S por diodos laser ou utilizando-se técnicas de modulação superiores.

h) Custos potencialmente baixos

O vidro com quc as fibras ópticas são fabricadas é feito principalmente a partir do quartzo, um material que, ao contrário do cobre, é abundante na crosta terrestre. Embora a obtenção de vidro ultrapuro envolva um processo sofisticado, ainda relativamenial caro, a produção de fibras ópticas em larga escala tende gradualmcrite a superar esse inconvenientc. Com relação aos cabos coaxiais, as fibras óp~icas já são atualmente competitivas, especial- mente em sistemas de transrni\s%o a longa distância, onde a maior capaci- dade de transmissão e o maior cspaçamento entre repetidores permitidos repercutem significativamente nos custos do sistema. Em distâncias curtas e/ou sistemas multipontos, OS componentes ópticos e os transceptores 6p- ticos ainda podem impactar desfavoravelmente o custo dos sistemas. No entanto, a tendência é de revcrsão desta situação num futuro não muito distante, em razão do crescente avanço tecnológico e, principalmente, da proliferação das aplicações locais.

36 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

i) Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura

As fibras ópticas, por serem compostas basicamente de vidro ou plástico, têm uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua utilizaqão em diversas aplicações. Além disso, as fibras ópticas são menos vulneráveis à ação de líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim para uma maior confiabilidade e vida útil dos sistemas.

O uso de fibras ópticas, na prática, tem as seguintes implicações que podem ser consideradas como desvantagens em relação aos suportes de transmissão convencionais:

, a) Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos

O manuseio de uma fibra óptica "nua" é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos.

~ b) Dificuldade de conexão dasfibras ópticas

As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e disposi- tivos de alta precisão na realização das conexões e junções.

1 c) Acopladores tipo T com perdas muito altas

É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isso repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utilização de fibras ópticas em sistemas multiponto.

1 d) Impossibilidade de alimentação remota de repetidores

Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elCtrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.

e) Falta de padronização dos componentes ópticos

A relativa imaturidade e o contínuo avanço tecnológico não têm facilitado o estabelecimento de padrões para os componentes de sistemas de trans- missão por fibras ópticas.

Fibras ópticas versus satélites

As fibras ópticas mostram-se desde já uma alternativa superior aos satélites em sistemas de transmissão a longa distância caracterizados por um grande tráfego ponto-a- ponto. É o caso, por exemplo, dos sistemas de transmissão entre os EUA e a Europa, onde cabos ópticos submarinos oferecem circuitos telefonicos com desempenho (por exemplo, menor atraso) e custos mais baixos. Por outro lado, em sistemas com tráfego multiponto

irregular, característico, por exemplo, das aplicações de difusão de TV ou em redes de cununicaçóes em regiões extensas com população esparsa, os satdlites constituem ainda a melhor alternativa em razão da flexibilidade de configuração permitida.

A evolução da tecnologia de fibras ópticas, impulsionada pelas Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), permite a espera de um avanço das fibras ópticas, também, nas aplicações ponto-multiponto; entretanto, aplicações do tipo comunicações móveis e outras continuariam, em geral, melhor atendidas pelos sistemas de transmissão via satdlite.

A Tabela 2.2 compara as principais características de sistemas com fibras ópticas e via satélite [4].

Tabela 2.2 Comparação fibras ópticas versus satélites

CaracterrSticas

Banda passante I

4 I t Imunidade ao ruído

I

I

I Durabilidade dos enlaces

I

I I

; Segurança

Capacidade multiponto

Fiexibilidade

Conectividade a nível do usuário

Sktemas com fdras dpticas

Teoricamente, da ordem de THz (1,7 Gbps disponível)

Imune a EM1 e EMP

Linhas aéreas podem ser der- rubadas por tempestades

Difícil desvio de informação não detectado

Meio de transmissão essencial- mente ponto-a-ponto

Dificuldade de reconfiguração para atender mudanças de tráfego

Requer rede física de assinantes

Sistemas via satélite

Transponders em 36, 54 e 72 MHz

Sujeitos a interferências de várias fontes, inclusive microon- das

Tempestades podem colocar fora de operação antenas individuais, mas a rede permanece intacta

Necessidade de codificar a infor- mação

Fácil implementação de comunicaç5es ponto-multiponto

Fácil de reconfigurar se hardware bem projetado

Com instalação de antenas nos assinantes não requer rede

38 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

2.2 Sistemas de Comunicações

As redes públicas de telecomunicações provêm uma variedade de aplicações para os sistemas de transmissão por fibras ópticas. As aplicações vão desde a pura substituição de cabos metálicos em sistemas de longa distância interligando centrais telefônicas (urbanas e interurbanas) até a implantação de novos serviços de comunicações, por exemplo, para as Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI). A utilização de fibras ópticas em cabos submarinos intercontinentais constitui um outro exemplo, bastante difundido, de apli- cação em sistemas de comunicações de longa distância.

Uma segunda classe importante de aplicações de fibras ópticas em sistemas de comunicações, em fase de formidável expansão, é a dos sistemas locais. Aqui destacam- se as redes 1ocais.de computadores, utilizadas em sistemas privados de comunicações, voltados, principalmente, para a automação de escritórios e automação industrial. Também, pode ser incluída nesta classe de aplicações a integração de serviços a nível da rede pública urbaria de assinantes (RDSI).

2.2.1 Rede Telefônica

Uma das aplicações pioneiras das fibras ópiicas em sistemas de comunicações corres- ponde aos sistemas tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas tronco exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capa- cidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilômetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.

A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, per- mitidos pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas, minimizam os custos por circuito telefônico, oferecendo vantagens econômicas significativas. A Figura 2.2, por exemplo, compara os custos relativos de sistemas tronco digitais, a 140 Mbps e 560 Mbps, utilizando fibras ópticas e cabos coaxiais [ 5 , 6 ] . Observe nesta figura que, mesmo com relação aos sistemas em microondas ou ondas milimétricas, as fibras ópticas mostram-se competitivas, pelo menos nos sistemas de maior capacidade.

Aplicações 39

30 r ,140 Mbps cabo coaxial

,' / 560 Mbps cabo coaxial

140 Mbps fibra óptica - uia de onda milimétrica

C.-*-

560 Mbps fibra óptica

-

Distância = 100 krn

Número de canais telefônicos

Figura 2.2 Comparação do custo relativo de diferentes meios de transmissão de alta capa- cidade [5 ,6] .

Em países ou regiões de intensa urbanização, as distâncias máximas separando centrais ou postos telefônicos são, em geral, inferiores a 100 km. Nestes casos, os sistemas tronco de telefonia podem ser implantados, quando necessário, com os repe- tidores colocados ao longo dos próprios prédios ou instalaçoes telefônicas existentes. Isto e\.ita problemas com a instalação e a alimentação remota dos equipamentos, reduzindo ~us tos e aumentando a confiabilidade e as facilidades de manutenção do sistema.

A interligação de centrais telefônicas urbanas é uma outra aplicação das fibras Spricas em sistemas de comunicações. Embora não envolvam distâncias muito grandes 8 ripicamente da ordem de 5-20 krn), estes sistemas usufruem da grande banda passante dss fibras ópticas para atender a uma demanda crescente de circuitos telefônicos em uma :itde física subterrânea geralmente congestionada. Inúmeros sistemas deste tipo estão :nsraiados no país e no exterior.

No Japão, desde 1985, está instalado um sistema tronco nacional de telefonia com fibras ópticas, a 400 Mbps, interconectando várias cidades ao longo de um percurso d s 3400 Krn, com espaçamento entre repetidores de até 30 krn [7]. Com a flexibilidade de expansão permitida pelas fibras ópticas, já está sendo experimentada uma ampliação da capacidade de transmissão do sistema tronco para 1,7 Gbps. Nos EUA, os sistemas tronco da rede telefônica, instalados até o final de 1987, já consumiam mais de um milhão de quilômetros de fibras ópticas [8]. O espaçamento típico entre repetidores nos sisremas tronco americanos é de 48 km e a taxa de transmissão é de 417 Mbps, prevendo- sc também uma futura expansão da capacidade do sistema para 1,7 Gbps.

40 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

2.2.2 Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)

A rede local de assinantes, isto C, a rede física interligando os assinantes à central telefônica local, constitui uma importante aplicação potencial de fibras ópticas na rede telefônica. Embora as fibras ópticas não sejam ainda totalmente competitivas com os pares metálicos, a partir da introdução de novos serviços de comunicações (videofone, televisão, dados etc.), através das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSJ), o uso de fibras ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativo. A Figura 2.3 ilustra a evolução no uso de fibras ópticas na rede de assinantes em RDSI [9].

Telefone

Acesso

fibra óptica

par trançado

Figura 2.3 Evolução da rede de assinantes: a) fibra óptica para CATV; b) sistema integrado; c) apenas fibra óptica.

Aplicações 41

a) Estrela

TR Terminal Remoto

CT Central Telefônica

rede de distribuição

b) Árvore cabo óptico de distribuição

principal I I I

TR t I I I I

cabo óptico de distribuição

lateral cabo ó~tico

TR Terminal Remoto

drop

P Ponte

TR Terminal Remoto

Figura 2.4 Arquiteturas para a rede de distribuição dos assinanles com fibras ópticas.

42 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

A grande banda passante oferecida pelas fibras ópticas, além de suportar novos serviços de transmissão, permite configurar a rede de assinantes em topologias mais econômicas em termos de cabeação (Figura 2.4). Além disso, com as grandes quanti- dades de fibras ópticas necessárias para a rede de assinantes, o custo dos cabos ópticos deve cair consideravelmente, aproximando-se do custo dos cabos com pares metálicos.

Um outro desafio a considerar para a disseminação de fibras ópticas na rede de assinantes, além da redução dos custos atuais, é a realização de interfaces ópticas adequadas aos aparelhos telefônicos. Essas interfaces exigem, por exemplo, a implemen- tação de tkcnicas para o acionamento da campainha e energização do aparelho telefônico via fibra óptica. Com os avanços da tecnologia de componentes optoeletrônicos e dispo- sitivos de óptica integrada espera-se, entretanto, soluções satisfatórias num futuro não muito distante.

O uso de fibras ópticas em redes de assinantes em cidades-piloto tem servido como laboratório, em diversos países, para o desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas e de novos serviços suportados pela rede telefônica (RDSI). É o caso, por exemplo, do projeto Biarritz [ 1 O] na França e do sistema BIGFON [ 1 1 ] na Alemanha. Em Tóquio, no Japão, experimenta-se desde 1984 o Sistema Modelo INS, envolvendo a transmissão por fibras ópticas de voz digitalizada, dados, fac-símile colorido e imagem, para mais de 300 assinantes [12]. Nos EUA, a AT&T oferece desde 1985 o sistema VIVID, suportando um serviço de videoconferência através da rede de assinantes [8]. O sistema VIVID da AT&T usa fibras ópticas para conectar o terminal de vídeo digital do assinante ao comutador de vídeo na central telefônica local, a uma taxa de 45 Mbps.

2.2.3 Cabos Submarinos

Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é uma outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem atualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a um espaçamento máximo entre repetidores da ordem de 5 a 10 krn [6]. As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 3" geração (1,3pm), permitem atualmente espaçamentos entre repetidores em tomo de 60 krn. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4Qeração (1,55pm), alcances sem repetidores superiores a 100 km serão perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensões e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para .

atender à crescente demanda por circuitos internacionais de voz e de dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite.

Em 1988, entrou em operação o primeiro cabo óptico submarino transatlântico associado ao sistema TAT-8 [13,14], elevando a capacidade de tráfego entre os EUA e a Europa para 20.000 circuitos de voz, sem considerar o uso de técnicas digitais de interpolação (TASI) ou compressão [8]. Proposto formalmente em 1980 [15], este cabo óptico submarino pioneiro interliga os EUA (Tuckerton, NJ) à Europa (Widemouth na Inglaterra e Penmarch na França) em uma distância superior a 7.500 krn, conforme ilustrado na Figura 2.5. O sistema TAT-8 é composto por dois subsistemas de transmissão digital a 280 Mbps e o espaçamento médio entre repetidores é de aproximadamente 60 krn, perfazendo um total de 125 repetidores. O cabo óptico submarino é composto por 3 pares de fibras monomodo (1 par para cada subsistema duplex e 1 par de reserva) operando na região 1,3ym.

LONGITUDE

Figura 2.5 Cabo óptico submarino do sistema TAT-8 interligando os EUA e a Europa [8].

Se a demanda de tráfego entre os EUA e a Europa continuar com a taxa de crescimento dos últimos 30 anos (25% ao ano), o que é bastante provável, em 1992 será necessário um novo sistema transatlântico com capacidade duas vezes superior ao TAT-8. Para enfrentar esta perspectiva, já foi concebido e está sendo desenvolvido o sistema T.AT-9, operando em 1,55pm, com maior capacidade de transmissão e espaçamento entre rspetidores [13,16]. O sistema TAT-9 será composto por dois subsistemas a 560 Mbps, inrsrligando, através de unidade de derivação e multiplexação, Manahawkim nos EUA e

44 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Pennant Point no Canadá a três localidades na Europa (Goonhilly na Inglaterra, Saint Hilaire de Riez na França e Conil na Espanha). No total serão 9.000 krn de cabo óptico submarino com um espaçamento médio entre repetidores da ordem 110 a 120 km.

No Japão existem atualmente vários sistemas de cabos submarinos com fibras ópticas interligando ilhas do arquipélago, desde sistemas sem repetidores operando nas diferentes hierarquias dos sistemas PCM (32, 6,3 e 1,5 Mbps com fibra índice gradual; 100 e 400 Mbps com fibra monomodo) até um cabo submarino tronco doméstico com repetidores [7]. Os sistemas sem repetidores têm alcances variando de 33 a 48 km, segundo a taxa de transmissão, e operam a uma profundidade de até 1.500 metros. O cabo óptico submarino que compõe o sistema tronco doméstico opera comercialmente desde 1986, a 400 Mbps, com repetidores espaçados de 40 km, perfazendo um total de 1.000 krn a uma profundidade de até 8.000 metros.

Na Inglaterra, desde 1987, opera um sistema com cabo óptico submarino, interconectando Dartmouth Si ilha de Guernsey no ~anal'da Mancha, numa distância de 135 krn sem repetidores.

Na França, um cabo óptico submarino interliga Marselha no continente a Ajaccio na Córsega, numa distância de 330 krn com 9 repetidores [13].

2.2.4 Televisão por Cabo (CATV)

A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é uma outra classe de apli- cações bastante difundida [17]. As fibras ópticas têm sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos. Também nos circuitos fechados de TV, associados a sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão. Entretanto, a aplicação maior consumidora de fibras ópticas para a transmissão de sinais de vídeo 6 constituída pelos sistemas de-(CATV).

As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capaci- dade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 krn e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30 Km [18]. Além de um melhor desempenho, a tecnologia atual de transmissão por fibras ópticas é competitiva economicamente e

apresenta uma confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV conven- cionais com cabos coaxiais banda-larga [19].

Embora a transmissão de imagem digital permita um desempenho superior, os custos dos equipamentos envolvidos com a digitalização têm restringido o uso de fibras ópticas em sistemas CATV com transmissão de sinais de video, principalmente na forma analógica.

Um dos primeiros sistemas comerciais de CATV com fibras ópticas foi ins- talado em 1976, em Hasting, Inglaterra, [3]. Este sistema pioneiro tinha um extensão de 1,4 Km, distribuindo sinais de vídeo para 34.000 assinantes. Um outro exemplo de sistema pioneiro de transmissão de video por fibras ópticas, neste caso, de transmissão de vídeo digital, é dado pelo sistema instalado na cidade de London (Ontário), Canadá, interligando um estúdio central de distribuição ao conversor de frequências (head end) na extremidade do cabo tronco CATV 131. A transmissão digital dos sinais de vídeo neste sistema é feita a 322 Mbps, em um cabo óptico com 8 fibras, transportando 12 canais de vídeo e 12 canais FM estéreos numa distância de 7,8 Km. No Japão, um sistema experimental de CATV por fibras ópticas opera a 900 Mbps com 8 canais de vídeo e 16 canais de hudio num tronco de até 20 Km [20]. Grandes avanços neste campo são esperados com a introdução de multiplexação por divisão em frequência através dos sistemas ópticos coerentes.

2.2.5 Sistemas de Energia e Transporte

.A difusão de fibras ópticas nas redes públicas de telecomunicações tem estimulado a aplicação desse meio de transmissão em sistemas de utilidade pública que provêm suas próprias facilidades de comunicações, tais como os sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e os sistemas de transporte ferroviário. As facilidades de comunicações incluem, além dos serviços de comunicação telefônica, serviços de telemetria, supervisão 2 controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de alguns quilô- metros em sistemas de transporte metropolitanos - por exemplo, metrô - até centenas de quilômetros ao longo de linhas de transmissão ou linhas férreas. Embora estes sistemas geralmente não requeiram grandes bandas passantes, o uso de fibras ópticas é atraente, principalmente em função de suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação elétnca e baixas perdas. Sistemas de transmissão digital PCM a 2 Mbps [18, 211, bem como cabos ópticos especiais [22, 231 para este tipo dc aplicação têm sido experi- mentados ou colocados em operação comercial nos úliinios ;ii ios.

46 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

2.2.6 Redes Locais de Computadores

As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de comunicação de dados que costumam ser classificados, segundo as distâncias envolvidas, em redes de computadores a longa distância ou redes locais de computadores.

As redes de computadores a longa distância utilizam-se basicamente dos meios de transmissão comuns à rede telefônica. Embora geralmente usem técnicas distintas (comutação de pacotes, modems etc.), essas redes a longa distância sâo implantadas ou integradas nos mesmos suportes físicos de transmissão da rede telefônica. Assim sendo, o uso de fibras ópticas em sistemas de comunicação de dados a longa distância acom- panha a evolução da aplicação de fibras ópticas na rede telef6nica (cabos troncos, cabos submarinos, RDSI etc.).

As redes locais de computadores, utilizadas para interconectar recursos compu- tacionais diversos (computadores, periféricos, bancos de dados etc.) numa área privada c geograficamente limitada (prCdio, usina, fábrica, campus etc), caracterizam-se pela espe- cificidade e variedade de alternativas tecnológicas quanto ao sistema de transmissão [2]. Voltadas principalmente para aplicações em automação de escritórios e em automação industrial, com requisitos exigentes em termos de confiabilidade, capacidade de trans- missão e facilidades operacionais, as redes locais de computadores têm nas fibras ópticas uma excelente alternativa de meio de transmissão. Embora os custos e alguns problemas tecnológicos ainda inibam sua competitividade com os suportes convencionais, as fibras ópticas, em determinadas aplicações, apresentam-se como a melhor e às vezes única alternativa de meio de transmissão para as redes locais de computadores.

Sistemas centralizados, envolvendo um computador de grande porte (main- frame) e vários terminais remotos, embora não sendo propriamente uma rede de compu- tadores, constituem sistemas de comunicação de dados em nível local onde a substituição de cabos metálicos por fibras ópticas pode ser vantajosa [24, 251. Utilizadas em barra- mentos internos serializados ou na interligação dos terminais remotos, as fibras ópticas permitem, desde um melhor desempenho em termos de alcance e banda passante, até maiores facilidades (menor volume e peso) na instalação dos cabos.

Existem vários exemplos do uso de fibras ópticas em redes locais de compu- tadores [2, 26, 271. De um modo geral, as iniciativas buscam usufruir de uma ou mais qualidades das fibras ópticas a fim de atenderem a situações diversas, tais como, por exemplo:

necessidade de maior alcance da rede ou de segmentos dentro da rede;

Aplicaçóes 47

demanda de novos serviços dc comunicação local exigindo grandes bandas passantes;

necessidade de maior confiabilidade do sistema cm ambientes hostis etc.

Em razão dos custos associados aos nós de comunicação scrcm ainda relativa- mcntc altos, o uso da tecnologia de fibras ópticas em redes locais de computadores tem sc limitado principalmente aos grandes sistcmas [28]. É o caso, por cxcmplo, do sistcma RIPS (Research Information Processing System) do Ccntro dc Pesquisa de Tsukuba no Japão [2] e da rede com intcgração de voz c dados que a companhia Delta Air Lines opcra no aeroporto internacional de Atlrinta nos EUA [29]. O sistcma RIPS, cuja configuração geral é mostrada na Figura 2.6, integra, através de fibras ópticas, scrviços de transmissão L

de voz, dados e imagcm para atendcr às atividadcs de P&D dc mais de 3.000 pcssoas. Uma outra classe dc aplicação, justificando economicamcntc o uso de fibras ópticas em redes locais de computadores, tem sido em fábricas ou plantas ondc os processos têm requisitos dc confiabilidade imperativos (usinas nuclearcs, clçtncas etc.) ou exigem grandes capacidades de transmissão, como os sistcmas de manufatura integrada (CAD, u

CAM etc.).

Figura 2.6 Configuração geral do sistema RIPS.

48 Fibrm Ópticas : Tecnologiu e Projeto de Sistemas

2 .3 Sistemas Sensores

O uso de fibras ópticas em sistemas sensores ou de instmmentação tem crescido bastantc nos últimos anos, estimulado pelos benefícios advindos de suas qualidades de excelcntc imunidade a interferências, isolação elCtrica, robustez e resistência à corrosão, entrc outras. Vários tipos de sensores com fibras ópticas já são disponíveis cornercialmentc, cnquanto outros estão sendo testados em experimentos de campo ou em fase de avançado desenvolvimento em laboratórios. Aldm das aplicações militares, três grandes mercados lêm oricntado o dcsenvolvimcnto de sistemas sensores com fibras ópticas:

Al~licaçóes industriais: sistemas de telemetria e supervisão em controle dc processos;

Aplicaçócs rne'dicas: sistemas de monitordção intcrna ao corpo humano c instrumcntaçáo cirúrgica;

A~~tornóveis: monitoração do funcionamento do motor e acessórios.

2.3.1 Aplicações Industrinis

As aplicações industriais dc sistemas sensores com fibras ópticas inclucm principalmenlc os sistemas dc telemetria e supervisão em controle de processos. Estes sistemas en- volvem instrumentos dc medida e controlc ondc a sensitividadc, a rcsistência a ambicntcs hostis e a compacticidade são requisitos essenciais. Em fábricas ou usinas com opcração intensiva dc máquinas e dispositivos elCtricos, em ambientes fortcmcnte corrosivos ou explosivos (refinarias petroquímicas etc.), a confiabilidade do sistema dc controle dis- tribuído é função, fundamcntalmcnte, do tipo de meio de transmissão utilizado. As fibras ópticas têm sc constituído então uma alternativa bastante adequada aos sistemas dc controle dc processos em ambientes industriais, não apenas como meio de transmissão altcmativo aos cabos metálicos, mas, sobretudo, na realização dos próprios elemcntos scnsores.

Numa primcira fase, o uso de fibras ópticas em sistemas de tclemctria c supcr- visão de conlrolc de processos pode se restringir à simplcs substituição dos cabos mctálicos que formam o mcio de transmissão. Consegue-se, desse modo, aumcntar a confiabilidridc do sistema, mclhorando-sc as condições dc transmissão dos sinais dc dados e dc controlc. Entrctanto, numa scgunda fase, as fibras ópticas pcrmitem concebcr-sc uma soluçáo global para o sistema, incluindo não apcnas os cnlaccs dc transmissão, mas os próprios clcmcntos

Aplicações 49

sensores, acoplados diretamente ao meio de transmissão. Elimina-se, assim, a necessidade de conjuntos sensores/transdutores elCtricos, vulneráveis às interferências e anomalias eletricas. Sistemas de telemetria, supervisão e controle em aviões, navios, usinas el6tricas e diversos processos de manufatura são os principais candidatos ao uso desta tecnologia.

Os tipos de sensores com fibras ópticas incluem a maior parte dos parâmetros medidos em ambientes industriais, dentre os quais destacam-se os seguintes:

a) Temperatura: baseados em vários mecanismos de sensoreamento e ope- rando em diferentes faixas de temperatura, são utilizados, por exemplo, para monitorar turbinas a gás, fomos industriais, processos de fabricação de 'semicondutores (deposição epitaxial) ou c6lulas eletroquímicas em ambi- ente carregado de ruído elCtrico, de hidrogênio explosivo e gases ou 1í- quidos corrosivos. Atingem temperaturas típicas de 400 a 500°C, podendo, em casos especiais, operar na faixa de 300 a 2.000°C [30]. Têm sensiti- vidade típica da ordem de 0,l0C, mas podem, em casos especiais, detectar variações de temperatura da ordem de 0,000001"C [31]. Alem disso, podem ser projetados para responderem a variações com frequência muitas vezes superior àquelas medidas por outras tecnologias de sensores. A Figura 2.7(a) ilustra um tipo de sensor de temperatura com fibra óptica utilizando uma lâmina bimetálica [30].

b) Pressão: também podendo ser construidos segundo diversas técnicas, são utilizados tipicamente, para medição de pressão em áreas críticas, tais como usinas nucleares, poços de petróleo e navios petroleiros. Têm precisão típica da ordem de 0,5% [3 11 e funcionamento conforme ilustrado na Figura 2.7(b).

c) Nível de líquidos: são baseados principalmente na variação de índice de refração e podem ser do tipo medida de nível discreto (presença ou não de líquido) ou contínua. A faixa de atuação do tipo discreto, ilustrado na Figura 2.7(c), depende do número de sensores imersos no líquido e tem uma precisão da ordem de 11 0,05mm, enquanto os de medida contínua al- cançam vários metros com uma precisão da ordem de tr. lmm [31]. São utilizados, por exemplo, para monitorar vazamento de óleo em oleodutos.

d) Vazão de líquidos: baseiam-se em várias técnicas, dentre as quais a do velocímetro Doppler a laser, e oferecem possibilidades de medidas de vazão em lugares inacessíveis ou hostis, sem perturbar o fluxo do líquido. Atuarn em várias faixas entre 10-~m/s e 10~m/s com uma precisão de +- 1% [31]. A Figura 2.7(d) mostra um tipo de sensor para vazão de líquidos em dutos [6].

50 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

- Fonte luminosa

Transmissão

RecepçBo L Fotodectetor

a) Temperatura

Fonte Detec-

7!lr - - - - - - - - - Fluido - - - :-I-: - -

L Elemento bimetálico

Fonte

Grades

I \ FlrTa/:b7Fl Fibra óptica Fixo Fibra óptica

Deslocamento

I C Luz

Diafragma refletor

b) Pressão

Vedai

fibra

d) Vazáo

corte)

e) Posição 9 Poluição sólida

Figura 2.7 Tipos de sensores com fibras ópticas.

Aplicações 51

e) Posição ou rotação: podem ser utilizados para medir deslocamentos com uma precisão típica da ordem de i 0,003cm numa faixa linear de O a 15cm, ou ainda para medir rotações entre O e 40" com precisão de Ir 0,04" [31]. A Figura 2.7(e) mostra uma das técnicas utilizadas para medida de deslo- camentos [6] .

f) Aceleração ou vibração: têm sido usados especialmente em sistemas de navegação, perfuração de poços de petróleo e detecção de perturbações sísmicas. Os sensores do tipo modulação em intensidade têm uma faixa típica de atuação entre 0,01 a 32g com uma precisão de 1- 0,1% [3 11.

g) Poluição: usados para detecção de poluentes no ar ou em líquidos. Têm faixa de atuação típica de 15 a mais de 1000ppm com precisão da ordem de it 5% [31]. A Figura 2.7(f) ilustra o princípio de funcionamento deste tipo de sensor para detecção de fumaça.

h) Giroscópios: oferecem vantagens com relação aos dispositivos conven- cionais por não possuírem partes móveis, além do pequeno peso e longa vida útil. As suas aplicações incluem brocas de perfuração de poços, sis- temas de referência em robos, sistemas de navegação automáticos e as- sentos ejetáveis em aeronaves.

i) Fadiga: uma variante interessante baseada nos principios de medição de pressão com fibras ópticas é a dos sensores de fadiga (stress) em materiais compostos, utilizados, principalmente, na fabricação de helicópteros, aviões e outras estruturas aerospaciais [32]. Sensores com fibras ópticas implantados durante a fabricação do material composto provêm "estruturas inteligentes'' com capacidade de monitorar sua própria fadiga.

2.3.2 Aplicações Médicas

O uso de fibras ópticas em aplicações médicas tem evoluído bastante desde as aplicações pioneiras do Fiberscope [33] (ver histórico no Cap. I), onde um feixe de fibras de vidro servia basicamente para iluminar e observar órgãos no interior do corpo humano. Hoje em dia, tem-se uma variedade de aplicações de sistemas sensores com fibras ópticas em diagnóstico e cirurgia. Inseridos através de cateteres ou subcutaneamente, sensores de fibras ópticas miniaturizados permitem monitorar funções biológicas internas dos pa- cientes. Estes sensores, que podem permanecer aplicados no paciente durante um longo tempo, permitem testar e acompanhar processos biológicos em tempo real, de vital

52 Fibras Ópticas: Tecnobgia e Projeto de Sistemas

importância, por exemplo, em cirurgias. Dentre os sistemas sensores com fibras ópticas em aplicações médicas podem ser destacados os seguintes:

a) Sensores de temperatura: têm sido utilizados, por exemplo, em terapia hipertérmica radiológica de tumores cancerígenos, onde as qualidades de imunidade eletromagnética das fibras ópticas são únicas, face 2 radiação de microondas da fonte de calor utilizada. A faixa de atuação típica dos sensores de temperatura para aplicações médicas é de O a 100°C e com precisão de até 0,0l0C [30].

b) Sensores de pressão: utilizados para monitorar a pressão intracraneana, cardiovascular, uretral ou retal. A faixa de atuação é O a 300mm de mercúrio com precisão de 6 0,5% [3 11.

c) Sensores magnéticos: permitem obter o mapeamento dos campos magnC- ticos gerados pelo cérebro, útil no tratamento de ataques de epilepsia.

d) Sensores de pH: utilizados para monitorar o nível de oxigênio no sangue, permitindo, por exemplo, acompanhar o comportamento do feto numa cirurgia cesariana. Atua tipicamente numa faixa de pH entre 7 e 7,4, com precisão de 6 0,001, sendo que o nível de asfixia fetal é indicado por pH 7,20 [31, 341. A Figura 2.8 ilustra este tipo de sensor.

Coluna DYE

Superfície espelhada

Bastão de aço inoxidável

Janela

Fibra oca de diálise cobrindo fibra óptica e bastão de aço inoxidável

Agulha de aço inoxidável

Figura 2.8 Sensor de pH com fibras ópticas para monitoração de nível de oxigênio no sangue.

e) Sensores de vazão: utilizados para monitorar a vazão sangüinea em as- persões para diagnósticos em cirurgias vasculares ou plásticas, para moni- torar o sistema de circulação ou para avaliar grau de queimaduras com precisão e presteza.

Além dos sensores acima descritos, as fibras ópticas têm sido utilizadas como instrumentos cinírgicos (cateteres), por exemplo, monitorando e controlando com pre- cisão a limpeza de artérias cardiovasculares ou a destruição de tumores.

As aplicações médicas de fibras ópticas podem ainda incluir redes de comuni- cações locais em grandes hospitais ou redes de distribuição de recursos concentrados num hospital especialista para a assistência de médicos em localidades remotas. As fibras ópticas suportam transferência de dados de alta velocidade e comunicações visuais utilizadas para monitoração remota de pacientes ou equipamentos, na consulta às infor- mações sintomáticas especializadas ou ainda em procedimentos cirúrgicos. Inter- ferências eletromagnéticas dos equipamentos hospitalares de alta tensão (por exemplo, raios-X) são evitadas com o uso de fibras ópticas.

2.3.3 Automóveis

Sistemas com fibras ópticas vêm sendo bastante utilizados já há algum tempo, por exemplo, para guiar a luz nos mostradores de painel dos automóveis. Entretanto, com a introdução dos sistemas de supervisão e controle do motor e da transmissão, pilotados por microcomputadores de bordo (microprocessadores), as fibras ópticas ganharam um novo e mais importante papel na indústria automobilistica [35,36]. Com as suas quali- dades de tamanho e peso reduzidos, isolação elétrica e completa eliminação das interfe- rências eletromagnéticas, as fibras ópticas podem substituir, vantajosamente, os fios metálicos como meio de transmissão na supe~visão e controle principalmente:

do funcionamento do motor e da transmissão (potência de motor, consumo de combustivel, regulagem automática de suspensão etc.);

das facilidades assobiadas aos acessórios (aquecimento e refrigeração de ar, controle das janelas e portas, controle dos bancos etc.).

A tecnologia de fibras ópticas para este tipo de aplicação é obviamente distinta daquela usada nos sistemas de comunicações. Em geral, são utilizadas fibras ópticas com núcleo e casca de plástico que têm dimensões e perdas maiores, mas implicam uma rrlação custo-desempenho mais favorável a este tipo de aplicação em distâncias muito

54 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

curtas. Um outro requisito importante é que os conectores e dispositivos sejam robustos, duráveis e resistentes à corrosão e vibração.

2.4 Aplicações Militares

As aplicações militares de fibras ópticas inclued,'desde sistemas de comunicações de voz e dados a baixa velocidade, onde as fibras ópticas simplesmente substituem suportes metálicos convencionais, até aplicações específicas envolvendo sistemas de navegação e controle de mísseis ou torpedos guiados por cabo. Os sistemas sensores com fibras ópticas também encontram uma boa gama de aplicações militares em navios e aeronaves de um modo geral, ou em aplicações específicas, por exemplo, de defesa submarina.

2.4.1 Comunicações

Uma das aplicações militares pioneira no uso da tecnologia de fibras ópticas consiste na simples substituição de suportes de transmissão metálicos nos sistemas de comunicação de voz e dados a baixa velocidade em instalações militares [37]. Além de um melhor desempenho em termos de alcance, banda passante e imunidade ao ruído, as fibras ópticas oferecem a esses sistemas vantagens exclusivas. Por exemplo, a informação transportada pela fibra óptica é dificilmente violada ao longo do sistema de transmissão, em razão da característica de isolação eletromagnética e pelas facilidades de localização de derivações de potência óptica ao longo do cabo, garantindo assim um alto grau de privacidade na transmissão de dados "sensíveis" o meio de transmissão pode percorrer sem riscos lugares de armazenamento de combustíveis ou explosivos; o reduzido volume e peso dos cabos ópticos provêm importantes facilidades operacionais no transporte e instalação dos sistemas. Esta última qualidade das fibras ópticas é particularmente vanta- josa em sistemas táticos de comando e comunicações, permanentes ou móveis, interli- gando armamentos sofisticados e unidades militares dispersas [38,39]. As conexões remotas entre um radar e a estação de processamento de sinais podem, por exemplo, ser mais longas garantindo maior segurança ao pessoal de operação.

A aplicação de fibras ópticas em sistemas de comunicações militares a longa distância, além das motivações básicas das aplicações civis (maior alcance e capacidade de transmissão), busca usufruir das suas qualidades operacionais e de segurança. Por

Aplicações 55

exemplo, nos EUA um enlace óptico de 147 km suporta o sistema primário de comu- nicações para controle e testes de mísseis MX e na Coréia do Sul foi construída uma rede de comunicações táticas com 667 km de cabos ópticos [40].

Em nível local, uma das grandes aplicações de fibras ópticas em sistcmas militares de comunicações C na realização de barramentos de dados em navios e avióes [6,41]. Além da melhor performance, este tipo de aplicação das fibras ópticas tcm na redução do volume e peso uma das suas principais motivações. Um avião bombardeiro B-1, por exemplo, pode ter seu peso reduzido de 1 tonelada se na sua cabeação interna forem utilizadas apenas fibras ópticas [40]. Nos EUA está sendo desenvolvido um helicóptero, o LHX (light helicopter, experimental), onde os sistemas de controle de voo, de armamentos e de dados internos são totalmente baseados na tecnologia de fibras ópticas [40].

2.4.2 Aplicações Específicas

Uma aplicação específica das fibras ópticas no domínio militar C a dos mísseis tele- guiados por cabo. Neste tipo de sistema, ilustrado na Figura 2.9, um enlace com fibra óptica de alta resistência à tração liga (bidirecionalmente) o míssil a um centro dc controle, permitindo um melhor controle da pontaria através da monitoração visual do alvo. As qualidades das fibras ópticas em termos de grande banda passantc, imunidade a interferências e não vulnerabilidade face aos radares inimigos são essenciais a este tipo de aplicação. Considerado atualmente o maior mercado militar da tecnologia de fibras ópticas, este tipo dc aplicação, considerando-se apenas o programa FOG-M (Fiber Optic Guided Missile) nos EUA, deve consumir cerca de 300.000 km dc fibras ópticas até 1990 í401.

Sistemas sensores com fibras ópticas também têm encontrado uma variedade dc aplicações no domínio militar. Um dos mais utilizados é o giroscópio óptico que oferecc vantagens com relação aos mecânicos, em termos de maior precisão, peso reduzido c maior scgurança. A aplicação militar de giroscópios ópticos inclui sistemas de navegação automática em aviões, navios, submarinos, mísseis, espaçonavcs, satélites etc. Um outro sistema scnsor de interesse para a Marinha é o acústico. Acoplados a rcdes de cabos ópticos submarinos, os sensores acústicos permitem implantar, por exemplo, sofisticados sistemas de defesa submarina [40].

56 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Painel de controle

I I

Figura 2.9 Míssil teleguiado por fibra óptica.

Referências Bibliográficas

[I] CHERIN, A. H. -An Inrroduction to Optical Fibers. McGraw-Hill, 1983.

[2] GIOZZA, W. F. e outros - Redes Locais de Computadores: Tecnologia e Aplicações. McGraw-Hill, 1986.

[3] LACY, E. A. - Fiber Optics. Prentice-Hall, 1982. 1 [4] GUTERL, F. e ZORPETTE, G . - "Fiber optics: poised to displace Satellites", IEEE

Spectrum, Ago., 1985, pp. 30-37.

[5] LILLY, C. J. - "The application of optical fibers in the uunk networks", ITU Telecom- munications Journal, v. 49-11, 1982, p.109.

62 Fibras Ópticas : Tecnologin e Projeto de Sistemas

A fibra óptica, componente central básico em sistemas de transmissão por fibras ópticas, é estudada neste Capítulo. A fim de apresentar adequadamente a tecnologia de fibras ópticas e suas aplicações em sistemas de transmissão, a abordagem feita aqui procura considerar não apenas as características de propagação da luz na fibra óptica, mas também as suas características físicas e operacionais. Portanto, além da caracterização do suporte de transmissão fibra óptica em termos de atenuação e capacidade de transmissão, são abordados aspectos relacionados, por exemplo, com o material empregado na sua fabricação e com suas dimensões microscópicas. No início do Capítulo é feita uma caracterização básica do guia de onda luminosa constituído pela fibra óptica, incluindo uma apresentação dos princípios fundamentais de propagação da luz no seu interior. A seguir são apresentados e comparados, com suas características de transmissão e apli- cações, os vários tipos de fibras ópticas existentes. Abordam-se, ainda, as características mecânicas das fibras ópticas, além de destacarem-se as diversas tCcnicas de fabricação. Finalmente, são apresentadas as técnicas de empacotarnento de fibras ópticas em cabos ópticos.

3.1 Estrutura Física Básica

Uma fibra óptica C composta basicamente de material dielktrico (em geral, sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo humano.

A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por uma camada, também de material dielétrico, chamada casca, conforme ilustrado na Figura 3.1. A seção em corte transversal mais usual do núcleo C a circular (Figura 3. I), porém fibras ópticas especiais podem ter um outro tipo de seção (por exemplo, elíptica).

A composição da casca da fibra óptica, com material de índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, oferece condições à propagação de energia luminosa (frequências ópticas) através do núcleo da fibra óptica. O mecanismo básico de trans- missão da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de reflexão interna total que ocorre quando um feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso.

I Fibras ópticas 63

- = ? s c a l n ~ ) - - núcleo (n,)

- - - - - - - c a) estrutura cilíndrica

de b) seçáo transversal n, n, refraçáo - In)

casca (n, < n,)

LL--- - - - -

c) corte longitudinal + d) perfil de índices

Figura 3.1 Estrutura básica de uma fibra óptica (com perfil de índices tipo degrau).

A diferença do índice de refração do núcleo com relação à casca C representada pelo perjil de índices da fibra óptica. Essa diferença pode ser conseguida usando-se materiais dielétricos distintos (por exemplo, sflica-plástico, diferentes plásticos etc.) ou através de dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo, Ge02, P205, B,O,, F etc.) na sílica (Si02). A variação de índices de refração pode ser feita de modo gradual ou descontínuo, originando diferentes formatos de perfil de índices. Por exemplo, a fibra óptica ilustrada na Figura 3.1 tem um perfil de índices descontínuo do tipo degrau, caracterizado por um núcleo uniforme com índice de refração n, e uma casca, também uniforme, com índice de refração %. Por outro lado, a Figura 3.2 ilustra um perfil de índices do tipo gradual parabólico.

As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de índices de refração implicam a existência de diferentes tipos de fibras ópticas com características de trans- missão, e, portanto, aplicações, distintas. Por exemplo, a capacidade de transmissão, expressa em termos de banda passante, depende essen.cialmente (além do seu compri- mento) da geometria e do perfil de índices da fibra óptica. O tipo de material utilizado, por sua vez, é determinante quanto às frequências ópticas suportadas e aos níveis de atenuação correspondentes.

As características mecânicas das fibras ópticas, expressas, por exemplo, em I termos de resistência e flexibilidade, dependem do material dielétrico utilizado c da

qualidade dos processos de fabricação. Embora comparavelmente mais resistentes que : fios de aço de mesmas dimensões, as fibras ópticas costumam ter a sua estrutura básica protegida das perturbações mecânicas ou ambientais por encapsulamentos ou revesti- mentos diversos. Essa proteção inclui desde uma segunda camada coaxial de casca,

64 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

servindo como estrutura física de suporte, até sucessivos encapsulamentos plásticos e empacotamentos, dando origem aos cabos ópticos que podem conter uma ou mais fibras ópticas.

índice de

a) seçáo transversal refraçáo

- - - - - núcleo n,(r) - - - -

b) corte longitudinal c) perfil de índices

Figura 3.2 Fibra óptica com perfil de índices tipo gradual (parabólica).

3.2 Princípios de Propagação

A teona de raios da óptica geométrica [I, 2, 31 permite visualizar, satisfatoriamente, o fenomeno físico de propagação luminosa em fibras ópticas de um modo geral, conforme ilustrado na Figura 3.1. Todavia, os conceitos da óptica geométrica não são suficientes quando todos os tipos de fibra óptica são considerados. Isso porque a teoria de raios corresponde apenas a uma aproximação dos princípios de operação da fibra óptica. Uma explicação mais rigorosa desses princípios deve ser feita através da teoria de ondas eletromagnéticas desenvolvida a partir das equações de Maxwell [4,5].

Os princípios de propagação da luz introduzidos a seguir têm por objetivo dar ao leitor um embasamento mínimo geral para uma apresentação adequada da tecnologia de fibras ópticas, dentro do contexto de suas aplicações em sistemas de transmissão. Emprega-se, portanto, sempre que possível, a teona dos raios, de compreensão e visuali- zação mais simples. Quando necessário recorre-se a conceitos da teoria ondulatória da

I Fibras ópticas 65

luz para explicar fenomenos ou casos específicos, evitando-se, porém, ao máximo, o formalismo matemático associado. O leitor mais exigente pode consultar os apêndices e a bibliografia referenciada, para um tratamento teórico mais rigoroso e aprofundado.

3.2.1 Reflexão Interna Total

A relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz num meio qualquer define o índice de refração do meio em questão, expresso por

C n = - (3.1) 'meio

Dessa forma, meios dielétricos mais densos correspondem a velocidades de propagação da luz menores e vice-versa. A Tabela 3.1 apresenta diversos meios com os Mices de refração respectivos. O índice de refração de um determinado material é função do comprimento de onda conforme é ilustrado na Figura 3.3 para o caso da sílica fuodida (SiO,) pura e com diferentes dopagens.

frkh 3.1 Índices de refração de dieléuicos para comprimento de onda h = 0,589pm.

66 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

índice de refraçáo índice de refraçáo

Concentraçáo do dopante (mol%)

(b)

Figura 3.3 Variação do índice de refração da sílica fundida: a) com o comprimento de onda [9]; b) com a concentração de dopantes [58 ] .

A propagação da luz numa interface de dielétricos com índices de refração diferentes experimenta os fenomenos de reflexão e refração conforme ilustrado na Figura 3.4. O raio incidente na interface, além de parcialmente refletido, é refratado segundo a lei de Snell [I], dada por:

onde 0, é o ângulo do raio incidente com relação à normal à interface, 02 é o ângulo do raio refratado, n, é o índice de refração do meio 1 de incidência e n2 é o índice de refraçáo do meio 2.

Quando a refração ocorre na passagem da luz de um meio dielétrico mais denso para um meio menos denso (Figura 3.4), o ângulo do raio refratado é sempre maior que o ângulo do raio incidente. Nesse caso, existe uma situação limite para a refração onde um raio incidente com um determinado ângulo, menor que 90°, conhecido como ângulo crítico, implica um raio refratado que se propaga paralelamente na interface entre os dois dielétricos (Figura 3.4 (b)). Qualquer raio incidente com um ângulo superior ao ângulo crítico não será mais refratado, mas refletido totalmente (Figura 3.4 (c)). Esse efeito de reflexáo interna total é o mecanismo básico de propagação da luz em fibras ópticas, conforme mostrado na Figura 3.1.

Fibras ópticas 67

. raio I

: 0, refratado

dielétrico 2 (n, c n,)

- dielétrico 1 (n,) I reflexão

raio interna incidente parcial

raio incidente

Fígura 3.4 Reflexão e refração numa interface de dieléuicos: a) refração; b) ângulo crítico c) reflexão interna total.

68 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

3.2.2 Abertura Numérica

Existe um ângulo de incidência limite para os raios penetrando no núcleo de uma fibra óptica, acima do qual os raios não satisfazem as condições de reflexão interna total e, portanto, não são transmitidos. Esse ângulo, conhecido como ângulo de aceitação da fibra, é deduzido aplicando-se a lei de Snell nas condições de reflexão interna total, o que resulta em:

onde no é O índice de refração do meio onde a fibra óptica está imersa. A Figura 3.5 ilustra o cone de aceitação de uma fibra óptica imersa no ar.

cone de

aceitação

2%

Figura 3.5 Cone de aceitação de uma fibra óptica irnersa no ar.

A partir da noção de ângulo de aceitação é definido um importante parâmetro de uma fibra óptica que é a sua abertura numérica (AN), expressa por

onde para o caso do ar (no = 1) tem-se

AN = senea =

A abertura numerica de uma fibra óptica costuma também ser expressa em termos da diferença relativa de índices de refração ( A ) entre o núcleo e a casca da fibra que é definida tanto para o perfil de índices tipo degrau quanto para o tipo gradual, como sendo [6]

Fibras ópticas 69

onde para o caso de A << 1 (hipótese válida para a maioria das fibras ópticas de interesse em sistemas de transmissão)

Combinando-se as equações (3.5) e (3.7), obtém-se a seguinte expressão de AN para valores de A << 1

AN = n, x -\IZã (3.8)

A abertura numérica de uma fibra óptica C muito útil para medir sua capacidade de captar e transmitir luz. É interessante notar que essa capacidade independe do diâ- metro do núcleo da fibra óptica.

3.3.3 Raios Inclinados ou Oblíquos

.\s ilustrações e as expressões apresentadas até aqui consideraram apenas a propagação dc raios cuja trajetória está situada num plano contendo o eixo da fibra óptica, isto é, os rüios meridionais. Existe, no entanto, uma outra categoria de raios que se propaga na fibra sem passar pelo seu eixo, a dos raios inclinados ou oblíquos (skew rays).

Os raios inclinados tendem a se propagar na região do núcleo próximo à casca, sgundo uma trajetória helicoidal de difícil visualização em duas dimensões, conforme mostra a Figura 3.6.

Além de contribuírem para aumentar a capacidade de captação da luz da fibra bprica, os raios inclinados têm implicações, também, na análise das perdas de propagação ao longo da fibra óptica. Por exemplo, associados aos raios inclinados estão os raios ~ m z d o s (leaky rays), que correspondem a raios apenas parcialmente confinados no nu~leo da fibra óptica e que vazam para a casca, sendo atenuados à medida que a luz sc propaga [7, 81. A teoria de raios, no entanto, não é suficiente para descrever as perdas dc irradiação dos raios vazados, sendo necessária a aplicação da tcoria de ondas conforme xrá visto mais adiante.

70 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Figura 3.6 Raios inclinados: a) trajetória helicoidal; b) projeção do raio na extremidade final da fibra.

A contribuição dos raios inclinados na determinação da capacidade de captação de luz de uma fibra óptica pode ser significativa para fibras ópticas com AN muito grande. Na maioria dos casos de interesse em sistemas de comunicaçõcs, no entanto, usam-se fibras com AN pequeno. Assim sendo, para efeitos de projeto desses sistemas, as equações (3.4), (3.5) e (3.8), incluindo apenas os raios meridionais, são geralmente consideradas adequadas.

3.2.4 Modos de Propagação

O conceito de modo de propagação está associado à teoria de propagação cletromag- nética [4] em guias de onda de uma maneira geral. Os modos de propagação são determinados a partir das equações de Maxwell, sob as condições de contorno impostas pelo tipo de guia de onda (geometria, material etc.) e representam um conjunto de ondas eletromagnéticas que são guiadas de maneira estável pelo guia. Cada modo de propa- gação é caracterizado por uma configuração de campo elétrico e magnçtico que se repete ao longo do guia, a cada comprimento de onda. Os guias de onda admitem apenas um número discreto de modos propagando-se ao longo do seu comprimento. Na Tabela 3.2 são listados os possíveis tipos de modos de propagação em guias de onda de uma maneira geral.

A determinação dos modos de propagação em fibras ópticas depcnde das características da fibra como guia de onda. Para fibras caracterizadas como um guia cilíndrico, homogêneo e infinito, hipótese válida para fibras ópticas com perfil de índices do tipo degrau, é possível obterem-se soluções exatas para as equações dc Maxwell [5 ,9 , 101. Por outro lado, fibras caracterizadas por um perfil de índices gradual exigem a

Fibras ópticas 71

aplicação de métodos numCricos aproximados na determinação dos seus modos de propagação [5, 91. Em ambos os casos, o tratamento matemático e a interpretação dos resultados são bastante complexos. Entretanto, para o caso de fibras ópticas, onde a diferença relativa de índices de refração é muito pequena (A << I), existem simpli- ficações teóricas que facilitam a compreensão e a manipulação dos resultados das equações de Maxwell [ l l ] . Felizmente, as fibras ópticas de maior interesse em sistemas de comunicações enquadram-se perfeitamente nesta última hipótese.

Tabela 3.2 Tipos de modos de propagação em guias de onda.

De uma maneira geral, as fibras ópticas admitem modos de propagação do tipo annsversais, onde a componente do campo elétrico (modo TE) ou do campo magnético (modo TM) não existe na direção de propagação da onda eletromagnktica, mas apenas m e r s a l m e n t e , e modos híbridos (modos EH e HE), que têm componentes do campo eltuico e do campo magnético na direção de propagação da onda. Numa analogia com a 6ptica geométrica, os modos TE e TM correspondem a raios meridionais, enquanto que os modos híbridos resultam da propagação de raios inclinados.

Modos

Transversal Eletromagnético

Transversal Elétrico

Transversal Magnético

Hi3rido

Os diversos modos de propagação possíveis em uma fibra óptica obcdccem a deter- minadas condições de corte, isto é, condições a partir das quais o modo cessa de existir

Sigla

TEM

TE

TM

HE ou EH

Características

Campo elétrico e magnético sem componentes na direção d a propagação da onda

Campo elétrico sem componentes na direção de propagaçáo da onda

Campo magnético sem compo- nentes na direção de propagação da onda

Campo elétrico e magnético com componentes na direção d e propagação da onda

72 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

no guia de onda luminoso. As condições de corte, variáveis segundo o modo e depen- dentes do comprimento de onda da luz transmitida e das características geométricas e físicas do guia de onda, permitem determinar o número de modos de propagação numa fibra óptica [5, 91.

O número de modos possíveis de se propagarem em uma determinada fibra óptica pode ser estabelecido a partir do parâmetro caractenstica da fibra, denominado frequência normalizada ou número V , expresso por:

ou para A c< 1

onde a C o raio do núcleo da fibra e h é o comprimento de onda da luz transmitida. Para cada tipo de perfil de índices de refração existe uma função de V determinando o número de modos de propagação, conforme será visto na Seção 3.3. No caso de uma fibra óptica com perfil de índices do tipo degrau, a variação do número de modos em função do número V tem as características da curva mostrada na Figura 3.7. (a função representada nesta figura é uma aproximação baseada nas condições de corte dos modos de ordem inferior, apresentados na Tabela 3.3).

Tabela 3.3 Condições de corte dos modos de ordem inferior em fibra óptica com perfil de índices tipo degrau [91.

Fibras ópticas 73

W." de modos

Figura 3.7 Número de modos de propagação em uma fibra óptica com perfil de índices tipo degrau versus número V [9].

Existem determinados valores de V para os quais apenas um único modo C possível de se propagar na fibra óptica. Essa condição dá origem a uma importante classe de fibras ópticas: a das fibras monomodo. As fibras monomodo, portanto, são fibras ópticas cuja geometria e constituição implicam um númcro V inferior àquele necessário pan a existência do segundo modo de propagação. No caso do perfil de índices tipo dernu . conforme pode ser observado na Figura 3.7, para valores de V inferiores a 2,405, existe apenas o modo fundamental HEll. Dessa forma, para este tipo de perfil dc índices, ~ c t s r i z a - s e uma fibra monomodo apenas quando o número V for inferior a 2,405. No clso de fibras com perfil de índices do tipo gradual, o valor limite de V para um annponamento monomodo na fibra C dado por [6, 121:

74 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

onde a é o parâmetro de pegil gradual que define o tipo de variação do indice de refração do núcleo da fibra.

As fibras ópticas que não se incluem na categoria monomodo, e, portanto, propagam vários modos de propagação, são chamadasfibras multimodo. A determinação do número de modos de propagação, como foi dito anteriormente, depende do tipo de perfil de índices da fibra e do comprimento de onda da luz.

Reflexão Interna Total

Existem dois fenômenos associados ao processo de reflexão interna total numa interfacc de dielétricos que não são aparentes na teoria de raios. Um deles diz respeito ao desvio de fase que ocorre na onda refletida com relação à onda incidente na interface. Essc desvio de fase, cuja magnitude depende do ângulo de incidência e da polarização (modo TE ou TM) da onda [9, 101, pode ser entendido fisicamente como um deslocamento lateral experimentado pela trajetóna do raio sendo refletido pela interface de dielétricos, con- forme ilustrado na Figura 3.8(a) [6]. Embora de difícil observação, este fenômeno podc ser determinado pela teoria ondulatória, fornecendo uma visão importante sobre o meca- nismo de propagação em guias de onda ópticos.

O outro fendmeno de interesse no processo de reflexão inte~na total numa interface de dielétricos é o campo elétrico evanescente correspondente à penetraqão, no dielétrico externo, do campo elétrico da onda propagada. A Figura 3.8(b) ilustra o fenômeno do campo elétrico evanescente para o caso de um modo transversal TE num guia de onda planar de representação mais simples que o guia cilíndrico. A penetração do campo elétrico na casca implica importantes considerações, por exemplo, quanto à escolha do material e ao dimensionamento mais adequado para a casca da fibra óptica.

Fibras ópticas 75

plano de reflexão virtual

profundidade de penetração

n2 interface n, ' n,

reflexão

deslocamento lateral

a) deslocamento lateral (desvio de fase)

pe netraçáo na

n, (casca)

n, (casca)

b) campo elétrico evanescente (modo TE, em guia planar)

Figura 3.8 Reflexão interna total: a) desvio de fase; b) campo elétrico evanescente.

Fluxo de Potência

.A energia eletromagnética de um modo guiado é transportada parcialmente pelo núcleo da fibra óptica e parcialmente pela casca, em razão da existência do campo evanescente. Quanto mais longe o modo estiver de sua condição de corte, mais energia estará concen- d a no núcleo. A medida que a condição de corte do modo se aproxima, o campo elétrico evanescente penetra mais na casca, significando mais energia sendo transportada pela casca. Na Figura 3.9, é mostrada a relação de potência transportada pela casca em m ã o do número V para uma fibra óptica com perfil de índices tipo degrau e A << 1. Ohxn e na figura que, para os modos híbridos de ordem maior (raios altamente inclina- dos?. mesmo próximos às condições de corte, a potência permanece principalmente

76 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

concentrada no núcleo. Por outro lado, para os modos de menor ordem (meridionais), a potência, nas condições de corte, está concentrada na casca.

Número V

V f 1 (HEv-l,, e EHv-1 ,,I V = 1 (H E2, , TE,, e TM,,)

Figura 3.9 Relação de potência na casca versus número V [ll].

Modos Vazados

Os modos vazados (leaky modes) são modos de propagação (análogos aos raios incli- nados vazados), que estão apenas parcialmente confinados no núcleo da fibra óptica [13, 141. Esses modos caracterizam-se por irradiarcm (vazarem) continuamente potência fora do núcleo e por serem atenuados à medida que se propagam. A irradiação dos modos vazados resulta do equivalente óptico do fenômeno de mecânica quântica conhecido como efeito túnel,[7, 81.

Os modos vazados podem carregar quantidades significativas de potência lumi- nosa em fibras ópticas de comprimento relativamente curto. A maioria desses modos desaparece após alguns centímetros de fibra. Todavia, alguns poucos, com perdas baixas, podem alcançar distâncias da ordem de até alguns quilometros [15]. Assim sendo, a

:-j.-:,q k~ *n 3-

43abo90(3~ Fibras ópticas ?i

existência de modos vazados tem implicações práticas em medidas de fibras ópticas, particularmente na determinaçáo da abertura numérica e das perdas de, propagaçao.

Modos Irradiados

A solução das Equações de Maxwell para as condições de contorno impostas por uma fibra óptica inclui, alem do número finito de modos guiados, um número infinito de modos que não são guiados pelo núcleo da fibra e que irradiam potência para fora. Esses modos irradiados correspondem aos raios que estão fora do cone de aceitação da fibra óptica e são refratados para a casca. Como a casca de uma fibra óptica prática tem espessura finita e é envolta por um material de proteção ou suporte físico, alguns dos m o d ~ s irradiados podem ser guiados pela casca. A existência de modos irradiados ouiados pela casca da fibra óptica pode afetar as medidas em fibras ópticas em razão do ... fenômeno de acoplamento de modos [16]. Por exemplo, os modos guiados pela casca podem ser acoplados a modos guiados pelo núcleo a partir de descontinuidades (emen- das) na fibra óptica, implicando uma redução da banda passante efetiva.

-4coplamento de Modos

.As características de propagação de uma fibra óptica podem se afastar daquelas previstas rcoricamente para o caso de um guia de onda dielétnco perfeito (cilíndrico, núcleo homogêneo etc.). Na realidade, as imperfeições existentes no guia de onda prático, traduzidas em termos de desvios da geometria básica (eixo curvo, variações no diâmetro erz.) e de irregularidades na composição do núcleo e da casca (não homogeneidades etc.), podem mudar as características de propagação da fibra óptica. O efeito dessas imper- iciqóes em fibras ópticas práticas, que podem ser causadas na fabricação ou no simples manuseio operacional da fibra, C o de acoplar energia de um modo de propagação em ouuo, dependendo do tipo de perturbação. Portanto, numa fibra multimodo há sempre o fenômeno de acoplamento de modos que resulta na transferência de energia de um modo para os modos adjacentes, à medida que a luz se propaga ao longo da fibra óptica [16, 17;.

O acoplamento de modos tem implicações importantes na determinação das características de transmissão das fibras ópticas. Por exemplo, os modos irradiados guiados pela casca, descritos anteriormente, podem se acoplar aos modos de ordem q r i o r guiados pelo núcleo (inclusive os modos vazados). Isso C possível porque o

78 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

campo elétrico evanescente de um modo guiado pelo núcleo interage com os modos guiados pela casca.

3.3 Tipos de Fibras

As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão, ditadas essencialmente pelo perfil de índices de refração da fibra e pela sua habilidade em propagar um ou vários modos de propagação. Com implicações principâl- mente na capacidade de transmissão (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectorcs luminosos, resultam dessa classificação básica os seguintes tipos de fibras ópticas:

Multimodo índice degrau: o tipo de perfil dc índices e as suas dimensões relativamente grandes implicam uma relativa simplicidade quanto à fabri- cação e facilidades operacionais; apresenta, porém, uma capacidade dc transmissrio basianlc limilada

Multimodo ínttlc c ~rcrttiral: complcxidade média na fabricação e dimensões moderadas quc iinplicarn uma conectividade relalivamenle simples; apre- senta uma capacidade tic transmissão alta.

Monomodo: tcm dimensões muito pequenas, dificultando, portanto, a co- nectividade; caracteriza-se, entretanto, por uma capacidade de transmissão baslantc superior às fibras do tipo multimodo.

A classificação típica das fibras ópticas feita acima reflete, de maneira geral, a evolução tecnológica básica em termos de capacidade de transmissão na aplicação mais importante das fibras ópticas: a dos sistemas de telecomunicações. Todavia, conside- rando-se o grau de sofisticação das aplicações, é possível adotar classificações (ou subclassificaçõcs) específicas, envolvendo outros crittrios, tais como:

Arquitetura do suporte de transmissão: o suporte de transmissão pode ser composto de uma única fibra ou de um feixe de fibras com implicações diversas quanto à capacidade de captação de potência luminosa, à flexibi- lidade, às facilidades de conexão e acoplamento, às perdas de propagação e, naturalmente, às aplicações.

Composição material: fibras com o par núcleo-casca do tipo sílica-sílica, .sílica-plá.stico ou plástico-plástico têm propriedades distintas quanto às

Fibras ópticas 79

facilidades operacionais e de fabricação, às perdas de transmissão, à tolerância a temperaturas etc., permitindo atcndcr a uma variedade de aplicações.

Frequências ópticas de atuação: esta classificação, que inclui, por exem- plo, as fibras no infravermelho e as fibras no ultravioleta, reflete o desen- volvimento de fibras ópticas para operar fora da faixa típica (0,7 a 1,6pm) atual das aplicações em comunicações; esses tipos de fibras podem en- volver características operacionais próprias em função das aplicações, bem como novos materiais na busca de um melhor desempenho em termos das perdas de transmissão.

Outros tipos. de pelfil de índices: fibras monomodo com perfil de índices diferentes do degrau têm implicações importantes quanto às características de transmissão; é o caso, por exemplo, dasfibras com dispersáo deslocada e as fibras com dispersão plana.

Geometria ou sensibilidade apolarização: al6m da seçáo circular típica, as fibras monomodo podem ter um núcleo de seção elbtica com implicações importantes quanto à filtragem e manutenção de polarização; é o caso, por exemplo, das fibras com polarizaçáo mantida.

As características e as aplicações dos vários tipos de fibras ópticas existentes atuaimente são apresentadas a seguir, a partir da classificação básica típica.

3.3.1 Multimodo fndice Degrau

.As fibras ópticas do tipo multimodo índice degrau (ID), conceitualmente as mais simples, iorarn as pioneiras em termos de aplicações práticas. Este tipo básico de fibra óptica caracteriza-se, essencialmente, por:

Variação abrupta do índice de refração do núcleo com relação à casca, dando origem ao perfil de índices tipo degrau (Figura 3.10(a)).

Dimensões e diferença relativa de índices de refração implicando a exis- tência de múltiplos modos de propagação (V > 2,405).

80 Fibrm Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

A @ casca

a) perfil de indices tipo degrau b) dimensões típicas

Figura 3.10 Fibra tipo multimodo índice degrau.

Considerando-se as dimensões típicas e o material usual de fabricação, as fibras multimodo índice degrau caracterizam-se pela existência de milhares de modos. O número de modos neste tipo de fibra depende do número V, representativo de seus parâmetros físicos e do comprimento de onda da luz transmitida (Equações (3.9) e (3.10)), e pode ser estimado por [6,9]

Assim, por exemplo, para uma fibra multimodo ID típica, operando no comprimento de onda de 0 , 8 5 p , com um AN = 0,3 e raio do núcleo igual a SOpm, o número de modos é superior a 6.000.

O grande número de modos existentes numa fibra multimodo ID tem impor- tantes implicações quanto a sua capacidade de transmissão, conforme será visto na Seção 3.4. De fato, a variedade de modos existentes resulta num aumento da dispersão (modal) do sinal transmitido, limitando bastante a banda passante desse tipo de fibra óptica. Em conseqüência disso, a aplicação das fibras multimodo ID em sistemas de comunicações restringe-se a distâncias relativamente curtas.

A maioria dos modos propagados numa fibra multimodo ID opera longe das suas condições de corte, estando, portanto, bem confinadas no núcleo da fibra. Como a maior parte da potência luminosa é transportada no núcleo e não na casca, a espessura da casca nesse tipo de fibra não afeta significativamente a propagação dos modos.

Uma das principais propriedades das fibras multimodo ID é a sua grande capacidade de captar energia luminosa. Essa capacidade, dependente apenas da diferença relativa de índices de refração, é expressa pela abertura numérica que varia tipicamente'

Fibras óptica 81

de 0,2 a 0,4 para esse tipo de fibra. Esses altos valores de AN, por outro lado, reduzem bastante a banda passante das fibras multimodo índice degrau. A variação da A N 6 obtida

usando diferentes materiais na composição do núcleo e da casca da fibra.

As fibras multimodo ID de maior interesse nas aplicações de telecomunicações têm sua composição (núcleo-casca) baseada principalmente na sílica (pura ou dopada). Existem, no entanto, fibras multimodo ID cuja composição da casca é feita com algum tipo de plástico transparente (por exemplo, silicone, poliestireno, polímeros especiais etc.). A utilização de plástico na casca permite a obtenção de aberturas numéricas superiores, pois o plástico apresenta índices de refração mais baixos que a sílica. A alternativa usual de se dopar o núcleo da sílica para aumentar o índice de refração é mais cara e complexa, especialmente se for considerado o caso de fibras de grande diâmetro. Por outro lado, o uso de plástico, ao invés de sílica, na casca da fibra tem o efeito de aumentar as perdas de transmissão, limitando significativamente o alcance das apli- cações. Em aplicações diferentes dos sistemas de telecomunicações (iluminação, instru- mentação etc.), onde o mais importante é a capacidade de captação de luz, existem fibras multimodo ID compostas totalmente (núcleo e casca) por plástico. Essas fibras, conhe- cidas por fibras de plástico, serão apresentadas mais adiante.

O diâmetro do núcleo de uma fibra multimodo índice degrau é tipicamente igual ou superior a 100pm. Essa característica física permite o uso de conectores de menor precisão e fontes luminosas menos diretivas, implicando, portanto, facilidades opera- cionais no acoplamento e nas emendas de fibras, além de menores custos. Na Tabela 3.4 são apresentadas as caractensticas de fibras multimodo ID típicas existentes atualmente no mercado.

Resumindo, portanto, as fibras multimodo índice degrau oferecem, para apli- cações em distâncias curtas e pouco exigentes em termos de banda passante, as seguintes principais vantagens:

permitem o uso de fontes luminosas de baixa coerência (mais baratas) tais como os diodos eletroluminescentes (LED's);

têm aberturas numéricas e diâmetros do núcleo relativamente grandes, facilitando o acoplamento com as fontes luminosas;

requerem pouca precisão nos conectores.

A Tabela 3.5 reúne os principais parâmetros característicos das fibras multi- modo ID.

82 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Tabela 3.4 Fibras multimodo índice degrau típicas.

Tipo de Diâmetro AN Atenuaçáo @ Banda Faixa de Material NúcleolCasca 850nm Passante Temperatura

(Pm) (dBlkm) (MHz.km) ( 'c)

1001140 0.21 4 20 -

1001140 0,30 7 20 -25 a + 75

Toda de vidro (sílica) 100/150 0.30 8 10 -

2001280 0.21 4 10 -

2001280 0.30 7 20 -25 a + 75

200P 80 0,40 8 10

200/380 0.22 5 20 -10a+80

Sílica com 2001400 0.19 25 30 - casca de plástico 200/600 040 40 @ 750nm - -

600P50 0,20 10 30 - 2 0 a + 6 0

600/850 0,40 6 1 O - 5 5 a + 8 0

6001850 0.30 10 1 O - 4 0 a + 8 0

3681400 0.53 320 - Toda de @ 690nm plástico

Fibras ópticas 83

Tabela 3.5 Parâmeuos característicos das fibras multimodo índice degrau.

Fibras de Plástico

As fibras multimodo ID podem ser feitas totalmente com plástico, desde que mantenham sua propriedade essencial, isto é, um índice de refração da casca inferior ao do núcleo. Com certos tipos de plásticos transparentes (por exemplo, silicone, polimetil metacrilato - PMMA, poliestireno etc.) obtem-se facilmente AN superiores a 0 5 , permitindo apli- cações que exigem uma maior captação de energia luminosa, tipicamente, na "janela" visível, em tomo de 630nm. Além disso, as fibras de plástico caracterizam-se por uma grande flexibilidade mecânica e pela alta tolerância nas conexões e acoplamentos, em razão de suas dimensões relativamente grandes (diâmetros do núcleo variando tipica- mente de 100 a 6.000pm e a dimensão da casca não excedendo em 10% a do núcleo). Por outro lado, as fibras de plástico apresentam, negativamente, altas perdas de transmissão. Essas altas perdas, tipicamente superiores a centenas de decibCis por quilômetro na faixa do espectro visível, limitam consideravelmente as distâncias possíveis na transmissão de sinais. Uma outra desvantagem das fibras de plástico, com relação às fibras de sílica, é a msnor tolerância a temperaturas altas (geralmente inferior a 100°C).

Expressão característica

constante

constante

4 - 4 - '1 - n2 -- - para A < 1 2 ns "1

nl 6 para A < 1

2 n a h - AN (> 2,405)

V2 - 2

Parâmetro

Índice de refração do núcleo

Índice de refração da casca

Diferença relativa de índices

Abertura numérica

Freqiiência normalizada

Número de modos

As aplicações das fibras de plástico incluem sistemas de instrumentação e ~ornunicações em automóveis (onde as distâncias são muito curtas e os requisitos de

Obs.: a - raio do núcleo h - comprimento de onda da luz incidente

Símbolo

"1

"2

A

AN

V

N

84 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

banda passante modestos), mas principalmente em sistemas de iluminação e transmissão de imagem, por exemplo, em aplicações médicas.

Uma fibra de plástico (PMMA) típica no mercado para operação nos compri- mentos de onda de 525, 575 e 650nm tem as seguintes características: relação de diâmetros 200/240pm, relação de índices 1,4921 1,417, AN = 0,47, temperatura máxima de 75°C e atenuação de 50 dB/km (525nm). A Tabela 3.6 apresenta as características de algumas outras fibras de plástico típicas.

Tabela 3.6 Características de fibras de plástico típicas.

Feixe de Fibras

As fibras ópticas tipo multimodo índice degrau, tanto de sílica como de plástico, podem ser agrupadas em feixes de fibras com a finalidade principal de aumentar a área de captação de luz. O feixe pode ser rígido, formado pela fusão de fibras individuais, ou pode ser flexível, agrupando-se fibras fisicamente separadas. A atenuação típica desses feixes é da ordem de um decibel por metro e a faixa de atuação inclui o espectro visível (400 - 700nm), para os feixes de plástico, e uma faixa mais larga (400 - 2200nm), para os feixes com fibras de sílica.

Tolerância a temperatura

-

-

-

até 115°C ou até 125°C

-

Os feixes com fibras de sílica podem ser aplicados em transmissão de sinais, por exemplo, em automóveis. Todavia, as principais aplicações dos feixes de fibras são constituídas por sistemas de iluminação e transmissão de imagem em distâncias muito

Obs.: PMMA= polirnetilmetacrilato (n = 1,49), poliestireno (n = 1.60)

Aplicação tcjDica

guia de luz iluminação

geral

dados

altas temperaturas

geral

Diâmetro do núcleo (pn)

76 a 2540

-

240 a 1000

87 a 2944

76 a 3046

Atenuação dBlm

0,8

0,35

0,16

-

-

Material no núcleo

poliestireno

poliestireno

PMMA

PMMA

PMMA

Material na casca

PMM A

fluorpolímero

PMM A (co-polímero)

PMM A (co-polímero)

resina de flúor

Fibras ópticas 85

curtas. No caso de transmissão de imagem, o feixe deve ser formado de modo que o arranjo das fibras seja idêntico nas suas extremidades, a fim de permitir a reconstrução aproximada da imagem transmitida. Nesse caso, quanto menor for o núcleo das fibras do feixe, maior será a resolução da imagem transmitida. Os feixes de fibras para aplicações em transmissão de imagem podem ser rígidos ou flexíveis, como, por exemplo, no caso de instrumentação médica. Por outro lado, no caso de aplicações em iluminação, as fibras do feixe podem ser misturadas aleatoriamente de uma extremidade à outra de modo a garantir uma melhor distribuição da luz.

3.3.2 Mu ltimodo f ~ d i c e Gradual

As fibras multimodo indice gradual ((G), de conceituação e fabricação um pouco mais complexas, caracterizam-se principalmente pela sua maior capacidade de transmissão com relação às fibras multimodo índice degrau. Desenvolvidas cspecialmente para as aplicações em sistemas de telecomunicações, as fibras multimodo IG apresentam di- mensões menores que as de índice degrau (mas suficientemente moderadas de maneira a facilitar as conexões e acoplamentos) e aberturas numéricas não muito grandes, a fim de garantir uma banda passante adequada às aplicações.

Em termos de estrutura básica, as fibras multimodo índice gradual caracte- rizam-se essencialmcnte por:

variação gradual do índice de refração do núcleo com relação à casca, dando origem ao perfil de índices tipo gradual (Figura 3.11(a));

dimensões e diferença relativa de índices de refração implicando a exis-

tência de múltiplos modos de propagação (V > 2,405 v 1 + -). a

O núcleo, nesse tipo de fibra, não tem um índice de refração constante, mas sim \ aribvel com a distância radial, de um valor máximo no eixo a um valor constante na casca. A variação gradual do índice de refração do núcleo é expressa por:

86 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Indice de

refraçáo C n

a) Tipos de perfil gradual I nd ice de

n(o)=n, refração

casca n,

núcleo - - - - - - - e - -

- a casca n,

b) Seção longitudinat fibra com perfil parabólico (o: = 2)

Figura 3.11 Fibra multimodo índice gradual.

onde nl C o índice de refração do núcleo no eixo, % é o índice de refração na casca, A C a diferença relativa de índices definida anteriormente (Equações (3.6) e (3.7)), a é o raio do núcleo e a C o parâmetro de perfil gradual que define o perfil de índices característico da fibra multimodo índice gradual [18].

A Figura 3.1 1 ilustra as características de uma fibra multimodo IG do tipo parabólico (a = 2), que é a referência mais importante do ponto de vista prático, bem

Fibras ó~t icas 87

como algumas alternativas possíveis para o perfil gradual, tais como, por exemplo, o perfil triangular (a = 1) [19]. O perfil de índices do tipo degrau podc ser visto como um caso limite (a = w) do perfil gradual. O mecanismo de operação dcssc tipo de fibra, conforme ilustrado pelos raios curvos na Figura 3.11(b) para o caso de perfil parabólico, corresponde à refração da luz incidente num grande número de sucessivas interfaces entre meios com densidade decrescente até encontrar as condições de reflexão interna total.

A determinação da abertura numérica de uma fibra multimodo IG é mais complexa que no caso de índice degrau por ser uma função da posição radial. A luz incidente numa posição radial r do núcleo só é propagada como um modo guiado, se estiver dentro da abertura numérica local, definida por [18]:

onde a abertura numérica axial é dada por:

AN(0) n,&

A abertura numérica de uma fibra multimodo IG decresce à medida que a posição r se afasta do eixo no sentido da casca, conforme pode ser visto na Figura 3.12, que compara as aberturas numéricas de vários tipos de perfil gradual. É importante observar que as fibras multimodo tipo índice gradual aceitam menos luz do que as correspondentes do tipo índice degrau para uma mesma diferença relativa de índices de refração.

O número de modos de propagação em uma fibra multimodo IG, para o caso A << 1, é dado por [18]:

88 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

a=- (degrau) 1 .o

0.5 -

a) Abertura numérica local b) Distribuição de intensidade luminosa relativa no núcleo

Figura 3.12 Aceitação de energia luminosa em fibras multimodo índice gradual com diferentes tipos de perfil (b) fonte luminosa lambertiana; linhas tracejadas incluem contri- buição dos raios vazados [ 151.

Para um perfil de índices parabólico ( a = 2) tem-se que o número de modos de propagação C a metade do número guiado por uma fibra multimodo ID com o mesmo parâmetro V. A capacidade de transmissão de uma fibra óptica C fundamentalmente afetada pelo número de modos de propagação guiados, em razão do fenômeno de dispersão moda1 (Seção 3.4). Assim sendo, o número de modos (inferior ao das fibras multimodo ID) implica uma capacidade de transmissão superior para as fibras multimodo IG. Essa maior capacidade C função do parâmetro a , conforme será visto mais adiante.

O núcleo não homogêneo de uma fibra multimodo indice gradual pode ser considerado, do ponto de vista prático, como uma sucessão de finas camadas superpostas, cuja composição (em geral, sílica dopada) muda gradualmente à medida que a camada se afasta do eixo da fibra. De maneira geral, a casca nesse tipo de fibra, considerando-se principalmente as aplicações em sistemas de comunicações, 6 composta basicamente de sílica. Todavia, existem fibras multimodo IG com casca de plástico que, embora im- pliquem perdas de transmissão maiores, bem como menor tolerância à umidade e às variações de temperatura, apresentam custos menoi-cs c certas qualidades aproveitadas em aplicações especiais.

As dimensões típicas de uma fibra muliiir~odo IG incluem diâmetros do núcleo variando entre 50-85pm (para um diâmetro dc c;isc.;i igual a 125pm), conforme ilustrado

Fibras ópticas 89

na Figura 3.13. O CCITT, por exemplo, especifica as dimensões 501125p.m junto à recomendação G.651. O padrão internacional FDDI para redes locais (ver Cap. 7), por sua vez, especifica fibras multimodo IG com dimensões 62,51125 e 851125p.m. Essas dimensões, apesar de serem um pouco inferiores às das fibras multimodo ID, permitem o uso de conectores e tCcnicas de acoplamento sem grandes sofisticações, principalmente quando comparadas às exigências no caso das fibras monomodo. A dimensão padrão, isto C, o diâmetro da fibra, de 125p.m, 6 suficientemente grande para dar uma resistência e flexibilidade mecânica adequadas, minimizar as perdas por microcurvaturas c não im- pactar fortemente os custos.

Figura 3.13 Dimensões típicas de fibras multimodo índice gradual.

Com o amadurecimento da tecnologia de fibras monomodo associado à de- manda de sistemas locais com capacidades de transmissão mais altas, as aplicações das fibras multimodo IG têm progressivamente sido orientadas para sistemas de comunica-. ções em distâncias curtas (alguns quilômetros).

A Tabela 3.7 apresenta as características de fibras multimodo IG típicas (íiidice parabólico), enquanto os principais parâmetros característicos desse tipo de fihi:) s9o resumidos na Tabela 3.8.

90 Fibrm Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Tabela 3.7 Fibras multimodo índice gradual típicas.

Tipo de material

(núckolcasca)

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Sílica

Diâmetro núckolcasca

( ~ m )

5011 25

501125

501125

501125

501125

501125

62,51125

1001140

100/140

AN

0,20

0,20

0.20

0,20

0,20

0.20

0,20

0,25

0,30

Atenuação (dBlkm)

3 @ 8 5 h

1.5 @ 1300nm

1 @ 1 3 0 h

0,7 a 1.5 @ 1300nm

2,4 a 3,5 @ 8 5 h 0,7 a 1.5

@ 1300nm

6 @ 8 5 h

4,5 @ 850nm

2 8 @ 1300nm

6 @ 820nm

5,5 @ 850nm

Banda passante

(MHz.km)

1000

600

800

400 a 1200

200 a 700

200

160 @ 850nm

400 @ 1300~n

200

20

Temperatura de operação

("c)

-25 a +75

-25 a +75

-25 a +75

-

-

-

-

-

-

Fibras ópticas 91

Tabela 3.8 Parâmetros característicos das fibras multimodo índice gradual.

I Parâmetro I Símbob I Expressiío caracrrristica / Índice de refração do núcleo

Diferença relativa de índices

Índice de refração da casca

I n1 - n! para A << 1

"2

nl C Z X ; r > a

constante

Abertura numérica local

Abertura numérica axial

Frequência normalizada

Obs.: nl índice de refração no eixo do núcleo a raio do núcleo

Número de modos

a perfil gradual h comprimento de onda

ANír)

ANO)

V

" 1%:

As fibras ópticas do tipo monomodo distinguem-se das fibras multimodo, basicamente, pela capacidade de transmissão superior e pelas dimensões menores. Embora tenham sido fabricadas pioneiramente e tenham demonstrado suas potencialidades em termos de banda passante desde cedo [15], as fibras monomodo tiveram seu desenvolvimento c aplicações retardados por mais de uma decada. As dimensdes muito reduzidas das fibras monomodo exigem o uso de dispositivos e tecnicas de alta precisão para a realização de conexões entre segmentos de fibras e do acoplamento da fibra com as fontes e detectores luminosos. Essas dificuldades operacionais das fibras monomodo, associadas à pressão da demanda de sistemas de telecomunicações de grande capacidade, favoreceram, numa primeira fase, o desenvolvimento das fibras multimodo índice gradual. Todavia, a con- tínua evolução tecnológica vem superando gradativamente os inconvenientes de conec-

@(qT$ nl a para A << 1

23ca - AN(o) (> 2.405 m) h CI

92 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

tividade, permitindo que as fibras monomodo, hoje em dia, não apenas resgatem a vocação para aplicações em sistemas de grande capacidade mas também se apresentem como a alternativa quase obrigatória dos futuros sistemas de comunicações.

Em razão das fibras monomodo terem dimensões bastante próximas às dos comprimentos de onda da luz incidente, não são válidas as aproximações da óptica geométrica para explicar o funcionamento desse tipo de fibra óptica. Nesse caso, como foi visto anteriormente, é necessário basear-se na teoria de ondas. Dessa Última, resulta que uma fibra óptica é do tipo monomodo quando se caracterizar como um guia de onda cujas dimensões e composição material (índices de refração) impliquem, para deter- minados comprimentos de onda incidentes, a existência de um único modo de propaga- ção guiado. No caso de perfil de índices do tipo degrau, mais usual, a fibra é caracterizada como monomodo quando o seu número V (Equações (3.10) e (3.9)) for inferior a 2,405. Como V é função do comprimento de onda da luz transmitida, costuma-se caracterizar as fibras monomodo por um comprimento de onda de corte que é definido como o compri- mento de onda a partir do qual a fibra tem um comportamento monomodo. Esse compri- mento de onda de corte, no caso de perfil de índices degrau, é expresso por [20]:

Na Figura 3.14 são ilustradas as relações entre o diâmetro do núcleo e a diferença absoluta de índices de refração (An = nl - %) para vários comprimentos de onda de corte. Para cada comprimento de onda de corte, a área abaixo da curva corres- pondente implica o regime de operação monomodo.

Conforme pode ser observado na Figura 3.14, é possível obter-se uma fibra monomodo basicamente de três maneiras:

reduzindo-se a diferença de índices de refração;

reduzindo-se o diâmetro do núcleo:

aumentando-se o compnmento de onda da luz incidente.

Em geral, o compnmento de onda de operação é determinado por considerações de perdas de transmissão, não se constituindo, portanto, num grau de liberdade muito útil para projeto de fibras monomodo. A redução da diferença de índices é bastante limitada na prática, pois resulta em grandes dificuldades de fabricação, além de reduzir sua capacidade de captação de luz (abertura numérica). A r e w ã o do-diâmetro do núcleo constitui-se, em princípio, na variável com maior grau de liberdade no projeto de fibras monomodo. Entretanto, como já foi ressaltado anteriormente, a redução das dimensões é limitada pelas dificuldades mecânicas e ópticas nas conexões e acoplamentos.

Fibras ópticas 93

Diâmetro do núcleo (pm)

i Figura 3.14 Relação do diâmetro do núcleo e da diferença absoluta de índices de refração para

vários comprimentos de onda de corte em fibras monomodo índice degrau [20].

! Uma maneira de se obter fibras monomodo com dimensões um pouco maiores consiste em utilizar um perfil de índices diferente do perfil convencional tipo degrau [15,

I I 191 ilustrado na Figura 3.15(a). Por exemplo, considerando-se a Equação (3.1 I), para

uma mesma diferença relativa de índices, tem-se que um perfil gradual tipo parabólico ( a = 2) permite diâmetros do núcleo a v e z e s superior aos com perfil degrau, enquanto para um perfil gradual triangular ( a = 1) o aumento é de 6 v e z e s .

Embora as fibras monomodo caracterizem-se por diâmetros do núcleo tipica- mente inferiores a lOpm, as dimensões de casca permanecem na mesma ordem de erandeza das fibras multimodo, conforme mostrado na Figura 3.15. Isso resulta do fato u

da casca ter de ser suficientemente espessa para acomodar completamente o campo evanescente do modo propagado, tomando-o desprezível na interface externa da casca. Dessa maneira, evita-se que as caracteristicas de propagação da fibra monomodo sejam afetadas por seu manuseio operacional e permite-se que o-yestimento de proteção da fibra seja feito com um material com perdas de transmissão altas. Em princípio, uma sspessura de casca da ordem de 10 vezes superior ao comprimento de onda de operação 2 suficiente para fibras com V próximo a 2,4 [21]. Na prática, porem, considerando-se os requisitos de controle de perdas por curvaturas, a relação de diâmetros núcleo/casca usual

94 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

é bem maior, da ordem de 10 vezes. Um parâmetro importante que define a eficiência no acoplamento'da potência do modo fundamental no núcleo da fibra monomodo C o chamado raio modal (wo). O raio modal representa a metade da largura efetiva do campo propagado, sendo expresso aproximadamente, para a faixa de 0,8 ¶ h/h, ¶ 2, por [20]:

Para um acoplamento ótimo, o raio modal deve ser pr6ximo do raio do núcleo da fibra.

a) índice degrau b) índice parabólico c) [ndice triangular

Figura 3.15 Dimensdes típicas e perfil de índices em fibras monomodo.

Enquanto nas fibras multimodo a potência luminosa se propaga quase que - - -

inteiramente no núcleo da fibra, no caso d& fibrafionomodo uma quantidade consi- derável do sinal se propaga na casca da fibra.1 proporção de potência luminosa propa- gando-se na casca e no núcleõde uma fibra monomodo é função do comprimento da onda, conforme ilustrado na Figura 3.16.

Fibras bpticar 95

Comprimento de onda (pm)

2,5 2,O

Número V

Figura 3.16 Relação de potência luminosa no núcleo e na casca de fibra monomodo em função I

do número V [22].

Existem outros tipos de perfil de índices para fibras monomodo que, além de permitirem dimensões maiores para o núcleo, têm outras implicações práticas quanto às características de transmissão (atenuação e dispersão) [20]. Por exemplo, o perfil de índices, mostrado na Figura 3.17(b), corresponde a um perfil do tipo casca-interna- levantada (raised inner cladding). Este perfil representa uma fibra monomodo com dupla casca, sendo a casca interna relativamente fina e com um índice de refração ligeiramente superior ao da casca convencional externa. As Figuras 3.17(c) e (d) mostram um perfil da família casca-interna-rebaixada (depressed inner cladding) ou tipo W onde a dupla

C casca é composta por uma casca interna com índice de refração inferior ao da casca externa. O perfil tipo W implica um maior confinamento da potência óptica no núcleo da I

fibra; por outro lado, impõe um comprimento de onda de corte finito para o modo fundamental. Quando o raio da casca interna numa fibra com casca-interna-rebaixada C da ordem de cinco vezes maior ou igual ao raio do núcleo (a' 2 5a), tem-se um perfil casca interna-rebaixada-larga; por outro lado, quando o raio da casca interna for menor

: que o diametro do núcleo (a' G 2a), o perfil é conhecido como casca-interna-rebaixada-

96 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

estreita. O perfil do tipo W e os perfis degrau gradual (Figura 3.17(e)) e núcleo segmen- tado (Figura 3.17(f)) têm propriedades de dispersão muito interessantes e úteis, conforme será visto mais adiante.

casca externa

casca interna

núcleo

An = n,-n, "3 &A9n=n2-n, n2 *a-- ++ +

t-2a'l.l a) índice degrau b) casca-interna-levantada(dup10 degrau)

c) casca-interna-rebaixada-larga d) casca-interna-rebaixada-estreita

e) degrau gradual f) núcleo segmentado

Figura 3.17 Tipos de perfil de índices em fibras monomodo.

A Tabela 3.9 resume os principais parâmetros característicos das fibras mono- modo.

t Fibras bpticas 97

Tabela 3.9 Parârneuos caractensticos das fibras monomodo.

Índice de rehação do núcleo 1 ""I* 1 nl 4- ; r < a

Parâmetro I I

Símbolo

n Índice de defração da casca

1 Diferença absoluta de índices** I A'n I n2 - n3

Expressúo característica

Diferença absoluta de índices (núcleo-casca)

i (casca interna - casca externa) I

I I

n2. (n3)**

1 Raráo de diferenças de índices** I " 1 > - ; " . - 1

constante

An

Diferença relativa de índices I A lz: ; A < l

"1 - "2

Frequência normalizada

Raio moda1

Comprimento de onda de corte

--

05s.: * perfil de índices gradual (a = - caso índice degrau) ** fibras monomodo com cascas múltiplas (casca-interna levantada e casca-interna rebaixada), onde

a é o raio do núcleo e a' é o rádio da casca interna

A Tabela 3.10 apresenta as características de fibras monomodo disponíveis x~r lmente no mercado, para a faixa de 1300nrn.

i

1, hV hV

2,405 Ou 2.405 1 + 6 (a'/a12

98 Fibras bpticas: Tecnoloaia e Projeto de Sistemas

Tabela 3.10 Características de fibras monomodo comerciais.

A banda passante de uma fibra bptica é função da sua dispersão, que, por sua vez, depende, entre outros fatores, das características de perfil de índices do guia de onda (ver Seção 3.4). As fibras monomodo tfpicas (síiica, perfil tipo degrau) caracterizam-se por uma região de dispersão nula em tomo de 1,3um. Variando-se as dimensões e diferenças de índices ou usando-se um perfil de índices diferente do degrau, tais como os ilustrados na Figura 3.17(c), (d), (e) e (0, C possível deslocar as condições de dispersão nula de uma fibra monomodo para comprimentos de onda onde as perdas de transmissão são menores, por exemplo, 1,55um [23]. Este tipo de fibra monomodo, que desloca as características de dispersão, é conhecido como fibra monomodo com dispersão deslocada (dispersion- shifted ou DS).

Perfil

h

A'n

(nm)

w, (pm)

@ 1,3pm

Unm)

atenuação média (dB/km) @ 1 . 3 ~ @ 1,55pm

Processo de fabricação

t 1) I ' '-' to? , , ')C ,,*C"-,'" I

\,r , / I / YPI+-" ' Fibras com Dispersão Deslocada

A B C

índice degrau

D

0.3%

-

1200

5

1310

0,35 0.20

OVD i { r " i ,

casca-interna-rebaixada

0,3%

-

1200

5

1310

0,40 -

VAD

I t'/ I ' / ?

0.27%

0,1%

1300

4,5

1312

0.38 0,24

MCVD ! / > \ ) i h

,

0,28%

0,1%

1200

4,5

1308

0.39 0.23

PCVD

P ' , > ; v r . @WY

1 Fibra óp t i ca 99 I

Fibras com Dispersão Plana

As fibras com dispersão plana (dispersion-flattened) [24] são fibras monomodo que procuram manter a dispersão em níveis bastante baixos ao longo de uma região espectral entre dois pontos com características de dispersão zero (por exemplo, 1,3pm e 1,55pm). Além de deslocar a característica de dispersão nula para 135 p, esse tipo de fibra, com um perfil de índice que pode ser como o mostrado na Figura 3.17(d), (e) e (f) e dimensões adequadas, mantém a característica de dispersão nula original (1,3pm) e uma dispersão plana mínima entre esses dois pontos. As fibras monomodo com dispersão plana ofere- cem, com relação às fibras com dispersão deslocada, a vantagem de poderem operar com vários comprimentos de onda, permitindo, por exemplo, uma ampliação da capacidade de transmissão do suporte através da técnica de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM).

Fibras com Polarização Mantida

Vma fibra monomodo com simetria circular é, em geral, insensível à polarização (hori- zontal e vertical) da luz transmitida pelo modo único propagado. Todavia, imperfeições de fabricação ou a indução de deformações mecânicas na fibra podem alterar as suas condições de simetria, implicando em diferente condições de propagação para as duas polarizações do modo propagado. Na maioria das aplicações, essas possíveis modi- ficações na polarização da luz transmitida não são importantes, entretanto, em aplicações específicas com sistemas de transmissão do tipo coerente (por exemplo, os novos sis- Lemas de comunicações coerentes apresentados n? Capítulo 9, sensores etc.) elas são fundamentais.

Um tipo de fibra monomodo de bastante interesse para os sistemas coerentes é ;i fibra monomodo com polarização mantida (polarization-maintaining), que, como o zame indica, caracteriza-se por manter, ao longo da transmissão, a polarização da luz que ariginalmente entrou na fibra [25]. Este tipo de fibra monomodo apresenta propriedades diferentes (birefringência) para a propagação das duas polarizações, isolando uma da outra. que podem ser construídas, conforme ilustrado na Figura 3.18, alterando-se, deliberadamente o núcleo circular convencional das fibras ópticas por um de seção clrptica ou introduzindo-se a característica da birefiingência através de materiais, no núcleo e na casca, com diferentes coeficientes de expansão térmica [26].

100 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

/ núcleo elíptico

casca externa

Figura 3.18 Fibra monomodo com polarização mantida (núcleo elíptico).

Fibras no Infravermelho Médio

A tecnologia atual de fibras ópticas baseia-se essencialmente no uso dasílica.aoO componente básico, o -- -- sendo que, em aplicações especiais, conforme foi visto anterior-

'mente, pode-se, também, utilizar algum tipo de plástico na composição da fibra. Entre- tanto, em comprimentos de onda superiores a 1,6um, onde potencialmente as perdas de transmissão são mínimas, o uso de d i c a em fibras ópticas deixa de ser atraente por causa das altas perdas por absorção intrínseca (ver Seção 3.4). Isso tem originado o desen- volvimento de fibras ópticas com novos materiais [27,28].

Esses novos materiais que incluem, principalmente, calcogenitas e fluoretos de zirconio e de outros metais pesados, oferecem possibilidades de perdas intrínsecas extremamente baixas na região de 1,6 a l O p r n , dando origem à classe das fibras no infravermelho médio (mid-infrared).

A tecnologia das fibras operando no infravermelho médio é ainda bastante experimental, com as perdas efetivas muito acima do mínimo teórico. Além disso, essas fibras apresentam-se, no caso de operação em comprimentos de onda curtos, mais frágeis e caras (o processo de purificação dos novos materiais C mais complexo) do que as de síiica. Assim sendo, embora uma das principais motivações no desenvolvimento desse tipo de fibra seja a possibilidade de sistemas de comunicações de longa distância sem repetidores (por exemplo, cabos submarinos) com fibras monomodo, as fibras no infra-

Fibras ópticas 101

vermelho médio atuais são do tipo multimodo índice degrau, utilizadas principalmente na transmissão de potência luminosa de laser para corte em aplicações cirúrgicas e indus- triais. A Tabela 3.11 apresenta as características de algumas fibras no infravermelho médio existentes atualmente no mercado.

Tabela 3.11 Fibras no infravermelho médio [29].

3.4 Características de Transmissão

Material NúcleolCasca

Calcogenita

Calcogenita

Calcogenita

Fluoretol Teflon

Fluoreto de Zircônio

Fluoreto de Zircônio

Fluoreto de Zircônio

Fluoreto de Zircônio

Safirafsem casca

.AS características de transmissão de uma fibra óptica podem ser descritas essencialmente pslas suas propriedades quanto àbtenuaça'ò-e à@@?sZ3 dos sinais por ela transmitidos. A atenuação está diretamente associada às perdas de transmissão, uma caractenstica fundamental em todo tipo de suporte de transmissão. O fenomeno de dispersão, por sua \ ez, permite caracterizar a capacidade de transmissão de uma fibra óptica, expressa pela tara de transmissão (em bits por segundo) ou pela banda passante (em hertz), respec- tivamente, nos casos de sistemas digitais ou analógicos.

Faka de operação f P)

5,5 a 11

2 a 11

5,5 a 11

0.7 a 6.0

0,7 a 4,8

1 a 4

0.2 a 7.5

0,5 a 4,2

0,19 a 5.0

Diâmetro NúcleolCasca (pm)

200/400

-

1501-

330/350

-

-

140R00

1501-

2501-

Atenuação (dBlm)

1 a 3

40a 11

< 1

-

1

0,2 a 0,3

1,5

1

1.5

102 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

3.4.1 Atenuação

A atenuação experimentada pelos sinais luminosos propagados atravCs de uma fibra óptica C uma característica cujo papel C fundamental na determinação da distância máxima (alcance) entre um transmissor e um receptor óptico. A atenuação (ou as perdas de transmissão) de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua saída. Essa relação, em geral expressa em decibCis por quilômetro (dB/km), C dada por

onde o comprimento da fibra é dado em quilômetros.

Os mecanismos básicos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas são os seguintes:

absorção

espalhamento

curvaturas

projeto do guia de onda

É importante observar que no dimensionamento de um sistema de transmissão, alem das perdas introduzidas pela atenuação da fibra óptica, devem ser consideradas tambCm as perdas causadas nas emendas e conexões entre segmentos de fibras e no acoplamento das fibras com as fontes e detectores luminosos. Este último tipo de perdas será apresentado e discutido no Capítulo 6.

3.4.1 .I Perdas por Absorção

As perdas por absorção são causadas pelos seguintes tipos de mecanismos:

a) Absorção intrínseca

Este tipo de absorção depende do material usado na composição da fibra e constitui-se no principal fator físico definindo a transparência de um ma- terial numa região espectral especificada. Considerando-se um processo de, fabricação perfeito (sem - impurezas, sem variações na densidade, homoge-

-L- --

Fibras ópticas 103

neidade do material etc.), a absorção intrínseca estabelece o limite mínimo fundamental na absorção para qualquer tipo de material usado. No caso dos materiais usualmente utilizados na fabricação de fibras ópticas (síiica fun- dida e outros tipos de vidros puros), os principais mecanismos de absorção intrínseca correspondem a:

banda de absorção eletrônica, que resulta de transições estimuladas de elétrons na região do ultravioleta (pico em h = 0,14pm'para síiica fundida);

banda de vibração atômica, que ocorre na região do infravermelho.

Essas características implicam a existência de uma janela de absorção intrínseca baixa na faixa de 0,7 a 1,6pm, conforme ilustrado na Figura 3.19, para o caso de sílica (Si0,) dopada com germânio (Ge02). Existem fortes bandas de absorção na região do infravermelho médio. Estas bandas dc absorção estão associadas a oscilações de unidades estruturais dos vidros óxidos, tais como Si-O (9,2pm), P-O (8,lpm), B-O (7,2pm) e Ge-O (l1,Opm) [6]. A utilização de vidros compostos por materiais não óxidos, tais como fluoretos e cloretos (que apresentam perdas por absorção intrínseca baixas na região do infravermelho médio), possibilita a fabricação de fibras para operar nessa região espectral. O material dopante (GeO,, P205, B203 e F) usualmente utilizado na composição do perfil de índices da fibra tem, em geral, pouca influência nas perdas totais [31]. Entretanto, para se obter perdas ultrabaixas em fibras monomodo operando em comprimentos dc onda superiores a 1300nm, não deve existir B20, em distância radial infe- rior a cinco vezes o raio do núcleo e P205 deve ser mantido fora do núcleo [20]. Na Figura 3.20 é feita uma comparação da absorção no infravermelho induzida por vários dopantes em fibras de baixas perdas. A Figura 3.21, por sua vez, compara as perdas de absorção para várias dopagens de GeO, na síiica (o aumento da abertura numérica equivale a um aumento da concen- tração do dopante).

104 Fibras Ópticm: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Comprimento de onda (pm) 0,8 0,9 1.0 1,l 1,3 1,5 1,7 2,O

\ \ \

\ ultravioleta \

I . I

Energia do fóton (eV)

Figura 3.19 Mecanismos de perdas inírínsecas em vidro de Ge02 - Si02 puro [30].

8 GeO, - B,O, - SiO, $ 4

Figura 3.20 Comparaçáo da absorçáo induzida por vários materiais dopantes em fibras de baixas perdas [3 I].

Fibras ópticas I05

Figura 3.21 Perdas por absorção do dopante Ge02 em função do comprimento de onda [9].

b) Absorção extrínseca

A absorção extrínseca resulta da contaminação de impurezas que o material da fibra experimenta durante seu processo de fabricação. No caso de fibras ópticas construidas atravCs do processo convencional de fusão direta (ver Seção 3 3 , a absorção dos íons metálicos (cu2+, ~ e ~ + , cr3+ etc.), que apresentam transições eletronicas na região de 0,5 a l,Opm, constitui-se no principal fator de perdas de fibra, podendo chegar, por exemplo, a perdas superiores a ldB/km para uma concentração de cobre ou de cromo equiva- lente a uma parte por bilhão (Tabela 3.12). Todavia, com a utilização de tCcnicas de fabricação derivadas da tecnologia de fabricação de semicondu- tores - que oferecem, portanto, um bom controle das impurezas -, é pos- sível eliminar-se os efeitos dos íons metálicos, mantendo a contaminação em níveis aceitáveis (da ordem de 1 para 10"). Uma segunda causa de absorção extrínseca é a presença de íons OH- (água dissolvida no vidro)

106 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

cuja vibração fundamental na sílica ocorre em 2730nm com sobretons harmonicos em 720,950 e 1390 nrn [32]. Concentrações de OH- da ordem de uma parte por milhão implicam perdas de ldB/km em 950nm e 40 dB/km em 1390 [20]. A Figura 3.22 apresenta o espectro de absorção dos íons OH- destacando os picos de absorção nos sobretons harmônicos, bem como nas combinações dos sobretons com a vibração fundamental do Si0, que ocorrem em 880nm, 1130nm e 1240nm. As regiões de bzixa atenuação entre os picos de absorção dos íons OH- caracterizaram a tecnologia pionei- ra de fibras ópticas através das chamadas janelas de transmissão (850nm, 1300nm e 1550nm). Com a evolução tecnológica das técnicas de fabrica- ção, entretanto, os níveis de OH- foram reduzidos a concentrações inferio- res a uma parte por bilhão, descaracterizando essas regiões em termos dc atenuação mínima. A Figura 3.23 apresenta a curva de atenuação espectral de uma fibra óptica com conteúdo de OH- muito baixo ( 0 3 ppb) [33,34] cujo mínimo de atenuação em 1,55pm, da ordem de 0,20 dB/km, está muito próximo do limite teórico de 0,18 dB/krn para este comprimento de onda. As perdas por absorção extrínseca podem ainda ser causadas pela absorção de moléculas de H2 dissolvidas na rede cristalina do vidro ou pela reação entre o hidrcgênio e o óxido que compõem a fibra [35]. O hidrogênio é geralmente gerado em cabos ópticos pela reação corrosiva de resinas orgâ- nicas e metais, de modo que aAeeção de materiais no projeto do cabo 6 fundamental para uma garantia de estabilidade de perdas [36].

'ihbela 3.12 Perdas por absorção causadas por impurezas do tipo íons metálicos e hidroxilas OH- [15].

lon

cu2+

Fez+

cr3+

OH-

Concentraçáo para perda de IdBlkm em vidros

2.5 ppb

1 P P ~

1 P P ~

1 2 5 ppm

Obs: ppb = parte por 109 ppm = parte por 106

Fibras ópticas 107

Atenuação (dB/km) ,04 1

hW) Xhriri)

Figura 3.22 Espectro de absorção das impurezas OH- em sílica [32].

Atenuação (dB/km)

Comprimento de onda (pm)

Figura 3.23 Curva de atenuação versus comprimento de onda de fibra com conteúdo muito baixo de OH- [33].

108 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

c) Absorção por defeitos estruturais

A absorção por defeitos estruturais resulta do fato de a composição do matenal da fibra estar sujeita a imperfeições, tais como, por exemplo, a falta de moléculas ou a existência de defeitos do oxigênio na estrutura do vidro. Este tipo de absorção é normalmente desprezível com relação aos efeitos das absorções intrínsecas ou das impurezas. No entanto, a absorção por defeitos estruturais pode ser significativa quando a fibra é exposta a níveis intensos de radiação nuclear [37] .

3.4.1.2 Perdas por Espalhamento

canismos de espalhamento contribuindo para as perdas de transmissão em fibras ópticas incluem os seguintes tipos:

espalhamento de Rayleigh

- espalhamento de Mie

espalhamento de Brillouin estimulado

espalharnento de Raman estimulado

Os dois primeiros tipos (Rayleigh e Mie) são mecanismos lineares de espalha- mento causados pela transferência (linear) de potência de um modo guiado para modos vazados ou irradiados. Os outros dois tipos de espalhamento (Brillouin e Raman estimu- lados) são mccanismos não-lineares que implicam a transferencia de potência luminosa de um modo guiado para si mesmo, ou para outros modos, em um comprimento de onda diferente. Os elèitos dos espalhamentos Brillouin e de Raman estimulados são geralmcn- Le significativos apenas em fibras monomodo.

As principais características de cada um dos tipos de mecanismos de espalha- mcnto são as seguintes:

a) Espalhamento de Rayleigh

O espalhamento de Rayleigh é causado por variações de natureza aleatória na densidade do material da fibra que ocorrem em distâncias muito peque- nas quando comparadas com o comprimento de onda de luz transmitida. Essas variações resultam de flutuações na composição do matenal de fibra assim como de defeitos e não-homogeneidades estruturais causadas durante o processo de fabricação. O espalhamento de Rayleigh é considerado um

Fibras ópticas

limite mínimo fundamental da atenuação em vidros, pois, embora seja possível reduzir as flutuações na composição material com técnicas de

fabricação mais sofisticadas, as não homogeneidades na densidade do ma- terial, originadas no processo de resfriamento, não podem ser evitadas. Considerando-se apenas o espalhamento induzido por flutuações tdrmicas em vidro com componente único, o coeficiente de perdas por espalhamento de Rayleigh é dado por (em unidades da base e) [38, 391

onde h é o comprimento de onda da luz transmitida, n é o índice de refração do meio, p é o coeficiente fotoelástico médio, K é a constante de Boltz- mann, PT é a compressibilidade isolérmica na temperatura fictive TF que, por sua vez --responde à temperatura em que o vidro entra em equilíbrio t e r m o d i n â L A atenuação em decibkis por quilômetro devido ao espalha- mento de Rayleigh em uma fibra de comprimento L (em quilômetros) é dada por

I

No caso da silica (TI, = 1400°K, p = 0,286, n = 1,46, PT = 7 x 1 0 ~ " m 2 ~ - ' ) a atenuação teórica causada pelo espalhamento de Rayleigh é de 5,2 dB/km a 0,63j.~m, 0,8 d B h a 1,OOpm e 0,3 d B h a 1,30pm [6].

A adição de dopantes afeta o espalhamento intrínseco de duas maneiras: por um lado, a temperaturafictive diminui) tendendo a reduzir as perdas por espalhamento e, por outro lado, as variações na concentração de dopantes é uma fonte adicional de espalhamento, também proporcional a l/h4. Os resultados experimentais indicam que o dopante P2 O5 não afeta significati- vamente as perdas por espalhamento, enquanto que a adição de GeO, implica num pequeno aumento das perdas, da ordem de alguns décimos por cento [15]. Na Figura 3.19 é ilustrada a curva com os níveis de atenuação espectral causados pelo espalhamento de Rayleigh em vidro puro formado por Ge02-SiO, [30]. Observe nesta figura que, para comprimentos de onda inferiores a l p , o espalhamento de Rayleigh é um fator dominante de atenuação. No caso de fibras multimodo IG, uma relação experimental para o espalhamento de Rayleigh é dada em decibéis por quilômetro por [22]

110 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

onde A é a diferença relativa de índices. É importante lembrar que, no caso de fibras monomodo, o cálculo das perdas por espalhamento de Rayleigh deve considerar a distribuição de potência no núcleo e na casca da fibra (Fig. 3.16), segundo a seguinte relação:

%VIU,MV = {a, Pr(V + 3 [ l -pr(h)l] (3.21.c)

onde Pr(h) é a fração de potência propagada no núclco, a, é o coeficiente de espalhamento do material do núcleo e a, é o cocficiente relativo ao material da casca da fibra monomodo.

b) Espalhamento de Mie

O espalhamento de Mie é causado pela existência na fibra de não-homoge- neidades de dimensões comparáveis à do comprimento de onda da luz transmitida. Esse tipo de espalhamento resulta de imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra, tais como irregularidades na interface núcleo-casca, flutuações do índice de refração ao longo da fibra, flutuações do diâmetro etc. A existência dessas imperfeições pode implicar a transferência de energia de um modo guiado para modos irradiados que pode ser muito importante, caso a frequência espacial das perturbações geométricas corrcs- ponda ao comprimento de acoplamento dc modos [16,17]. As perdas por espalhamento de Mie ocorrem principalmente na direção de propagação e podem ser reduzidas observando-se os seguintes cuidados:

remoção das imperfeições no processo de fabricação do vidro (por exemplo, um controle de diâmetro com tolerância de 2% permite manter desprezíveis as perdas [21]);

controle cuidadoso da extrusão e encapsulamento da fibra;

aumento da diferença relativa de índices de refração.

c) Espalhamento de Brillouin estimulado

O espalhamento de Brillouin é um efeito não linear que pode ser visto como sendo uma modulação (em frequência) da luz transmitida, pelas vibrações moleculares térmicas. Este efeito, que s6 é significativo acima de certos níveis de potência luminosa, resulta na transferência de potência de um modo para si mesmo, principalmente na direção contrária de propagação e em outra frequência. O limiar de potência luminosa que estimula o espa- lhamento de Brillouin é dado por [40]

P~ri l louin = 4,4 x 10-~ d2 x h2 x a, x u watts (3.22)

M S I P A D E FEDERAL bl?

L 2 7 9 5 1 1 b l r r ~ @ @ ~ Fibras ópticas 111

onde d (em pm) é o diâmetro do núcleo da fibra, h (em pm) 6 o compri- mento de onda de operação, af (em dB/km) 6 a atenuação da fibra e v (em gigahertz) 6 a largura de faixa da fonte luminosa (laser semicondutor).

d) Espalhamento de Raman estimulado

O espalhamento de Raman estimulado ocorre também a partir de um certo limiar de potência luminosa, segundo um processo de geração similar ao espalhamento de Brillouin. Neste caso, porém, a transferência de potência ocorre principalmente na direção de propagação, sendo o limiar de até três ordens de magnitude superior, dado por 1401

'~arnan = 5,9 x 1oe2 x d2 x h x a, watts f- - - (3.23) 7

onde d, h e af são especificados na equação (3.22). Os efeitos do espa- lhamento de Raman, assim como de Brillouin, não são usualmente obser- vados em fibras multir

I 'I em razão das dimensões do núcleo serem relativamente grandes.

3.4.1.3 Perdas por Curvaturas

As fibras ópticas estão sujeitas a perdas de transmissão quando submetidas a curvaturas ;31] que podem ser classificadas em dois tipos:

curvaturas cujos raios de curvatura são grandes (macrocurvaturas) compa- rados com o diâmetro da fibra (ocorrem, por exemplo, quando um cabo óptico "dobra" um canto ou uma esquina);

curvaturas microscópicas aleatórias (microcurvaturas) do eixo da fibra cujos raios de curvatura são próximos ao raio do núcleo da fibra (ocorrem quando as fibras são incorporadas em cabos ópticos).

Qualitativamente, as perdas por curvaturas podem ser explicadas examinando- s~ O campo evanescente que se propaga na casca da fibra (Fig. 3.24). A partir de um dsterminado raio de curvatura, o campo evanescente na casca deveria propagar-se a uma \ elocidade maior que a da luz para poder acompanhar o campo propagando-se no núcleo da fibra. Como isso não é possível, a energia luminosa associada ao campo evanescente ~ r d e - s e por irradiação. -

112 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

e, campo evanescente

\ 1

R \\ raio de,

curvatura t \

Figura 3.24 Efeito de curvaturas em fibras ópticas.

Existe um raio de curvatura crítico a partir do qual as perdas por curvaturas passam a ser muilo importantes. Essa condição c! dada por 1421

3nS x h 'crítico 47~ (n: - n2) 2 3/2

sendo que no caso de fibras monomodo costuma ser aproximada (para comprirncntos de onda em tomo de lpm) por [20]

critico \-, . .. (nl - n2)3/2

A Figura 3.25(a) mostra as perdas por curvaturas em função do raio de curva- tura para fibras monomodo operando em 1300nm, com comprimento de onda de cortc em 11 80nm. Os modos de propagação de maior ordem são os primeiros a perder energia com as curvaturas, pois, ao contrário dos modos de ordem inferior, propagam-se mais pró- 7

ximos da casca. As curvaturas, portanto, têm o efeito de diminuir o número de modos r propagados, melhorando, portanto, a capacidade de transmissão em fibras multimodo. No caso de fibras monomodo, a operação em comprimento de onda mais próximo as

r condições de corte é menos afetada pelas perdas de curvaturas que a operação em comprimento de onda mais afastado dessas condições I Figura 3.25(b) é ilustrada a variação do raio de curvatura crítico com o comprimento7aeonda de operação, para fibras

Fibras ópticas

monomodo com comprimentos de onda de corte diferentes. Na prática, considerando-se as curvaturas em comprimentos superiores a 1 metro, recomenda-se, para uma operação adequada, trabalhar com raios de curvatura mínimos equivalentes ao dobro do raio crítico. De modo geral, as perdas por curvaturas em fibras monomodo, cujos raios de curvatura forem superiores a Scm, não são significativas.

Perdas por curvaturas (dB/m)

Raio de curvatura crítico, (mm)

a) Perdas por curvatura em função do b) Raio de curvatura crítico em função raio de curvatura e da diferença do comprimento de onda de operação absoluta de índices de refração e do comprimento de onda de corte

Figura 3.25 Perdas por curvaturas em fibras monomodo [20].

Quando as fibras ópticas são cabeadas ou enroladas num tambor ou carretel, pequenas irregularidades nas interfaces de suporte causam microcurvaturas (curvaturas microscópicas com raios de curvatura próximos ao raio do núcleo) que podem constituir uma importante fonte de perdas de transmissão [43]. Qualitativamente, as perdas por microcurvaturas podem ser estimadas pela seguinte relação experimental [44]:

raio do núcleo Perdas por microcurvaturas a ( raio da fibra r [&J Uma fórmula prática para o cálculo das perdas por microcurvaturas em fibras

monomodo pode ser encontrada em [45]. De maneira geral, a minimização dos efeitos Jss microcurvaturas nas perdas de transmissão exige fibras ópticas com AN e/ou relação de diâmetros da casca-núcleo grandes, alem de cuidados especiais no processo de reves- ~imento e cabeamento das fibras [44, 461. No caso de fibras multimodo, as perdas por microcurvaturs são relativamente pequenas e independentes do comprimento de onda. Pfir outro lado, em fibras monomodo, as perdas por microcurvaturas aumentam significa- :ii mente a partir de certos comprimentos de onda. Valores práticos indicam que as

114 Fibras Ópticas : Tecnolonia e Projeto de Sistemas

perdas por microcurvaturas permanecem baixas em fibras monomodo operando até 30% acima do cornprimcnto de onda de corte [20].

3.4.1.4 Perdas de Projeto do Guia de Onda

Além dos modos vazados que, felizmente, na prática, consistem apcnas numa pequena porcentagem dos modos propagados, a atenuação cm fibras ópticas pode ser afctada intrinsecamente pelas características do guia de onda. A potência que se propaga numa fibra óptica não está totalmente confinada no núcleo, conforme foi visto anteriormente (Seção 3.2). A parte da potência luminosa que se propaga na casca é atcnuada pclas características de atenuação da casca da fibra. É importante, portanto, no projeto de uma fibra óptica com baixas perdas, considerar as seguintes alternativas:

- garantir que a maior pane da potência luminosa seja confinada no núcleo da fibra;

utilizar uma casca com espessura adequada e composta por um material com perdas comparáveis as do material do núcleo.

Uma maneira de obter um maior confinamento de potência luminosa no núcleo consiste em se utilizar um perfil de índices do tipo W que inclui uma casca interna, relativarnentc estreita, com índice de refração menor que o da casca externa [47,48]. No caso de fibras monomodo, a casca intcma com índice de refração mais baixo (casca-in- terna-rebaixada) (Fig. 3.17) aumenta o confinamento da potência luminosa no núcleo, mas pode também introduzir um comprimento de onda de cortc finito para o modo fundamental, a partir do qual o modo se toma vazado, com as perdas aumcnlando com o aumento da dcpressão de índices e com a diminuição da largura da casca interna [20].

A Tabela 3.13 resume as características de atenuação em fibras ópticas.

Fibras ópticas 115

Tabela 3.13 Resumo das características de atenuação.

Espalhamento de Rayleigh

Condições

Sílica (Si02)

Absorção extrínseca (íons OH-)

Espalhamento de Brillouin estimulado

Compri- mento

de onda 900nm 1240 nm

Espalhamento de Raman estimulado

Perdas (dBlkm)

, %v 0,08 %v < 0,02 air = 7,81 x 10~~.ex~(-48,48/h)

Mecanismo de perdas

"OH- < 1 aOH- < 40 aOH- < 0,l "OH- < 0,04

I 0.75 + 66AnGeOe I h e m p m

Absorção intrínseca

950 nm 1390 nm 1390 mn 1390 nm

"Raman - O @ Pis5,9 x 10-~(2a)~1ca~.v h em pm r

ultravioleta

infravermelho

1 ppm 1 ppm 1 Oppb < 1 ppb Si02 pura

Dopante Ge02

t i I

1 curvaturas (raio R)

I

Pi potência incidente a (pm) v (GHz) af (dB/km) apenas em fibras monomodo

oscila com o comprimentoda fibra

Valor limite para fibras longas

A(R) = - 10 10

< 0,5 dB (casos práticos)

C2 ac = exp(-clR) dB/m

m-l

perdas de transição (valor médio)

perdas puras

fibras monomodo h - h,

\Iicrocurvaturas

.

induzidas no encapsu- lamento e cabeamento

6 h

{ kl + 0,0149[') ] para 0,. s - =Z 2 Obs. raio do campo moda1 wo = 0.65 + 0,434 - hc

116 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

3.4.1.5 janelas de Transmissão

A tecnologia pioneira de fibras ópticas caracterizava-se pela existência de regiões espec- trais, em tomo dos picos de absorção de OH-, com atenuação mínima. Essas regiões de atenuação mínima, centradas nos comprimentos de onda de 850nm, 1300nm e 1550nm, deram origem às chamadas janelas de transmissão. Embora, com o aperfeiçoamento das técnicas de fabricação, não se possa mais caracterizar atualmente três regiões de ate- nuação mínima em fibras de sílica (Fig. 3.23), as janelas de transmissão continuam a servir como referência da tecnologia (gerações) de sistemas de transmissão por fibras ópticas. Por exemplo, a operação na região dos 850nm, onde as fibras atuais oferecem atenuações típicas da ordem de 3 a 5 d B h (ver Tabelas. 3.4 e 3.7) para aplicações em sistemas a curta distância, justifica-se principalmente pela simplicidade e custos da tecnologia disponível de fontes e detectores luminosos. A janela de transmissão em 1300nm está associada a características de dispersão (material) nula, oferecendo possibi- lidades dc enormes capacidades de transmissão, conforme será visto na próxima seção. Dessa forma, apesar de não corresponder mais a um mínimo de atenuação, a janela em 1300nm é ainda bastante atrativa para operação de sistemas de alta capacidade de transmissão. Nessa janela existem fibras comerciais, hoje em dia, com atenuações da ordem de 0,7 a 1,5 dB/km e um valor mínimo da 0,47 d B h para fibra dopada com fósforo (ver Fig. 3.20). A janela de transmissão em 1550nm, por sua vez, correspondc efctivamente a uma região de atenuação espectral mínima para fibras de sílica. Nessa janela já se fabricam fibras monomodo de sílica com atenuação da ordem de 0,2 dB/km [30], muito próximas do limite teórico de perdas para este comprimento de onda. Para opcração no comprimento de onda de 1,57pm já se obtêm perdas da ordem de 0,16 dB/km ainda mais próximas do limite tcórico [49].

Utilizando-se materiais distintos da sílica [50], pode-se teoricamente obter janelas de transmissão em comprimentos de onda superior a 1,6pm com pcrdas ainda mais baixas (na faixa de 0,01 a 0,0001 dB/km), como mostrado na Figura 3.26. Os esforços de pesquisa e desenvolvimento (relativamente recentes) desse tipo de fibra, para operação no infravcrmelho médio, incluem principalmente a família de vidros ZBLA constituída por fiuoreios de Zircônio, Bário, Lantânio e Alumínio. Para este tipo de material já foram anunciadas fibras com atenuação da ordem de 0,7 e 0,9 dB/km em 2,3pm [51].

Fibras ópticas 11 7

Atenuação (d B/k m)

1

1 o-'

1 o->

1

1

Figura 3.26 Atenuação espectral teórica de diversos materiais para operação no infravermelho médio [50].

No caso das fibras de plástico, existem "janelas" de transmissão tipicas, cm rorno dos comprimentos de onda de 525,575 e 650nm, com atenuações variando de 50 a 450 dB/km.

3.d.2 Dispersão

O fenômeno-de dispersão em uma fibra óptica, resultado dos diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam a energia luminosa, tem por efeito a distorção dos sinais transmitidos, impondo, portanto, uma limitação na sua capacidade de trans- missão. No caso de transmissão digital, a mais usual, o espalhamento dos pulsos ópticos

118 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

kcsultantcs da dispcrsao, determina a taxa máxlma de transmissao de znformaçao poh - .

'unidade de tempo (bits por segundo) através da fibra. No caso mais geral de transmissão\ analógica, a distorção do sinal óptico transmitido traduz-se numa limitação da banda'

'passante (hertz) da fibra óptica.

/Existem três mecanismos básicos da dispersão em fibras clipticas com impli-j -stintas segundo o tipo de fibra:

(dispersão moda1 ou interno a G T B @spersão material'

+' a p e r s ã o moda1 ou i n t e r m x l caracteriza-se por afetar a transmissão em+ ultimod do e resulta do fato de cada modo de propagação, para um mesmo comprimento de onda, ter uma diferente velocidade (de grupo) de propagação. ' 0 s outros 'dois tipos de dispersão (dispersão material + dispersão do guia de onda), correspondem à chamada dispersão cromática ou intramodal. Êsta dispersão cromática C resultante da dependência da velocidade (de grupo) de propagação de um modo individual com relação ao comprimento de onda. Os efeitos deste último tipo de dispersão, na distorção do sinal ' 'transmitido, aumentam com a largura espectral da fonte luminosa.

Seçáo Perfil de Pulso na Dispersão Pulsos na transversal índices entrada saída

Figura 3.27 Efeito da dispersão modal nos tipos básicos de fibras ópticas: a) multimodo indic,i degrau; b) multimodo índice gradual (parabólico); c) monomodo (índice degrnii 1

Fibras ópticas 119

A Figura 3.27 ilustra esquematicamente os efeitos da dispersão rnodal (inter- modal) nos tipos básicos de fibras ópticas. De maneira geral, a capacidade de transmissIo das Ffibras-multimodo 6 d E e ilegrau é afetada p r i n c i m e pela dEpersao moaal) en uanto que a capacidade de transmissão das fibras multimodo índice gradual, ou das &is mÕnoniÕdo, d afetada principalmente pela dispersão modal e material ou pela dispersão material e de guia de onda, respectivamente.

3.4.2.1 Dispersão Moda1 ou Intermodal

A dispersão modal ou intermodal afeta apenas as fibras multimodo e resulta dos di- ferentes atrasos na propagação, numa única frequência óptica (comprimento de onda), de cada modo individual.

No caso dasfibras multimodo ID (Fig. 3.27(a)), o fenomeno da dispersão modal pode ser explicado facilmente através da teoria dos raios, bastando para isso observar as diferenças nos caminhos percorridos ao longo do núcleo pelos vários raios. As diferenças de caminhos traduzem-se em tempos de propagação distintos para os raios com di- ferentes ângulos de incidência (modos), uma vez que, o núcleo sendo homogêneo, a velocidade de propagação 6 constante. Isso faz com que a luz transmitida pelos vários raios (modos) numa determinada frequência óptica (ou comprimento de onda) chegue à extremidade final da fibra multimodo ID em instantes diferentes, causando, portanto, um espalhamento (dispersão) dos sinais transmitidos, conforme ilustrado na Figura 3.27(a).

Considerando apenas os raios meridionais de maior hgulo de incidência (equi- valentes aos modos de maior ordem), os mais lentos, e os raios axiais (equivalentes ao modo fundamental), os mais rápidos, é possível estimar-se o espalhamento máximo numa fibra multimodo ID por [5,9]:

onde c C a velocidade da luz no vácuo. É importante observar que as expressões acima consideram apenas os raios meridionais, desprezando a contribuição dos raios inclinados. No caso de transmissão digital, uma medida mais útil da dispersão modal em fibras

120 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

multimodo ID C dada pelo espalhamento rms dos pulsos transmitidos, expresso, para o caso de A << 1, por [6,10]:

ou ainda

Asfibras multimodo IG têm a propriedade de minimizar os efeitos da dispcrsão modal. A variação gradual do índice de refração do núcleo, nesse tipo de fibra, pcrrnitc uma compensação da velocidade de propagação dos raios (modos) cujas trajctórias são mais longas. Por exemplo, no caso de fibra multimodo IG com perfil parabólico (a = 2) , conforme ilustrado na Figura 3.27 (b), os raios curvos mais afastados do eixo de fibra, embora tenham um caminho mais longo a percorrer, correspondem a uma velocidadc dc propagação média superior à dos raios mais próximos do eixo do núcleo. Existe, por- tanto, uma compensação das velocidades de propagação dos modos de ordem superior, que tem por efeito reduzir a diferença de atrasos de propagação, implicando uma menor dispersão modal para as fibras multimodo IG.

A dispersão moda1 rms em fibras multimodo IG, com perfil de índices segundo a Equação (3.13) e A << 1, pode ser obtida através da teoria eletromagnética, resultando em [52, 181:

onde a é o parâmetro de perfil gradual e N, e E correspondem às seguintes funções do comprimento dc onda:

Fibras ópticas 121

A compensação das velocidades de propagação dos diversos modos em uma fibra multimodo IG pode ser otimizada (dispersão modal mínima), utilizando-se um perfil gradual ótimo estimado. Para o caso em que a dispersão material é desprezada (dn,/dh = O), este perfil ótimo C dado por [52,18]:

onde, simplificando-se para o caso de E = 0, tem-se:

o que indica um perfil gradual ótimo próximo do parabólico (a=2). A dispersão modal rms mínima associada ao perfil gradual ótimo é dada por:

Comparando-se as expressões (3.29) e (3.36), observa-se uma redução na dispersão da ordem 6e AI10 favor5vel As fibras multimodo l ~ . t s s o , para valores típicos da diferença relativa de índices de refração (I%), resulta teoricamente em bandas pas- santes das fibras multimodo IG da ordem de 1000 vezes superior às das fibras multimodo ID. Na prática, porém, as dificuldades de fabricação afastam o perfil gradual das caracte- rísticas ótimas, resultando num desempenho típico (considerando-se apenas a dispersão modal) da ordem de 100 vezes superior ao das fibras multimodo ID.

A curva tracejada da Figura 3.28 ilustra o efeito da variação do parâmetro caractenstico de perfil gradual na dispersão modal, considerando-se desprezíveis todos os efeitos da dispersão material (dn,/dh e E iguais a zero). Na prática, porém, existe uma dependência do parâmctro aótimo com relação à variação de A com o comprimento de onda. Esta dependência (E # O), conhecida como~dispersão -3,541, faz com que um perfil grada1 otimizado para um determinado comprimento de onda, em geral, não seja ótimo para um outro comprimento de onda. A otimização do perfil gradual em fibras multimodo IG depende do tipo de material dopante utilizado, conforme pode ser obser- vado na Figura 3.29 [55,9]. Da Figura 3.29(b) tem-se que fibras multimodo IG, com dopagem dupla (vidros multicompostos) do tipo P205-Ge0,-Si02, oferecem uma menor dependência do aótimo com relação ao comprimento de onda [9]. Pode-se também obter fibras multimodo IG menos sensíveis à variação do comprimento de onda utilizando-se

122 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

um perfil múltiplo-a. Este perfil múltiplo corresponde um perfil composto por várias curvas de variação de índices com diferentes a ao longo do raio do núcleo [56] . A minimização da dependência da dispersão modal, com relação ao comprimento de onda da luz transmitida, permite às fibras multimodo IG suportarem uma operação simultânea em vários comprimentos de onda (sistemas WDM), ou ainda acompanharem a evolução de um sistema de uma janela de transmissão para outra atravCs da simples troca dos equipamentos (transmissores e receptores ópticos) nas suas extremidades.

Dispersão rrns (nslkm)

I I I I I I I

-

- -

I I - *=o l l

Laser DFB I I

(oh = 0,2nrn) -

- 1 1 1

Parâmetro K

Figura 3.28 Dispersão rms versus parâmetro K em fibra multimodo índice gradual operando em h = 900 nm (a curva tracejada inclui apenas efeitos da dispersão modal) [52].

De um modo geral, a dispersão modal em fibras multimodo (ID e IG) pode ser minimizada reduzindo-se a abertura numerica da fibra. Essa redução, conforme foi visto anteriormente, afeta negativamente a eficiência do acoplamento de potência luminosa e o confinamento de potência no núcleo, aumentando, portanto, as perdas induzidas por curvaturas. Isso faz com que a redução da abertura numérica tenha limites práticos. Um valor típico de AN em fibras multimodo de sílica C da ordem de 0,2 (A = 1%). No caso de fibras multimodo ID esse valor de AN implica uma dispersão modal rrns da ordem de 14

Fibras ópticas 123

ns/km, enquanto que para fibras multimodo IG com perfil 6timo a dispersão modal é da ordem de 14 pslkm.

oc ótimo - ótimo

Figura 3.29 Variação do perfil gradual ótimo com o tipo de material: a) dopantes Ge02, P205 . e B203 [55]; b) vidro multicomposto P205 - Ge02 - Si02 [9].

As expressões apresentadas acima para a determinação da dispersão modal baseiam-se na hipótese de que todos os modos, al6m de serem igualmente excitados (energizados) pela fonte luminosa e atenuados pela fibra, não transferem energia de um modo para outro. Dessa forma, a densidade de energia por modo na saída da fibra 6 suposta ser a mesma na sua entrada. Essas condições, embora permitam uma primeira aproximação dos efeitos da dispersão modal, não caracterizam completamente, na prá- tica, o comportamento das fibras multimodo. Imperfeições nas estruturas geométricas e na composição das fibras, intrínsecas ao processo de fabricação ou induzidas externa- mente (curvaturas, cabeamento etc.), causam os fenomenos de filtragem e acoplamento de modos, que têm implicações importantes na determinação da dispersão modal [57,16].

A filtragem de modos que consiste na atenuação seletiva de certos modos (modos de ordem superior e modos vazados) e o acoplamento de modos ocorrem pnnci- palmente no comprimento inicial da fibra multimodo e têm o efeito de equalizar os atrasos de propagação dos diversos modos, reduzindo, portanto, a dispersão modal. A partir de um certo comprimento de fibra, conhecido como comprimento de equilíbrio moda1 (Lc), a dispersão modal deixa de ser uma função linear do comprimento L da fibra para crescer aproximadamente segundo uma dependência de m. Medidas práticas têm fornecido valores de Lc que variam de 100 a 550 metros [57,58]. A Figura 3.30 ilustra

124 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

o efeito do acoplamento de modos na dispersão em fibras longas, considerando-se diferentes níveis de excesso de perdas induzidas pelo acoplamento [58].

O fenômeno de acoplamento de modos pode ainda ter o efeito inverso do acima citado, quando são consideradas as imperfeições ao longo da fibra e os revestimentos de proteção no processo de cabeação [21]. Por exemplo, se a fibra C revestida com um plástico de proteção com um índice de refração mais baixo que o da casca, podem existir modos "guiados" pela casca que, em razão das descontinuidades ao longo da fibra, acoplam-se aos modos guiados pelo núcleo. Isso tem o efeito de aumentar a dispersão modal efetiva da fibra.

Dispersão s )

Distância (krn)

Figura 3.30 Efeitos do acoplamento de modos na dispersão em fibras multimodo longas com diferentes níveis (h) de excesso de perdas por acoplamento tlc modos [ 5 8 ] .

3.4.2.2 Dispersão Material

Os mecanismos de dispersão cromática (material e guia de onda) possuem uma interde- pendência bastante complexa [ l l ] . Todavia, C possível estimar, dc maneira simples e com razoável precisão, os efeitos da dispersão cromática (ou iniramodal), somando-se as contribuições da dispersão material e da dispersão do guia dc onda calculadas indivi- dualmente, uma na ausência da outra [59,20].

Fibras óptica 125

O índice de refração do material que compõe uma fibra óptica tem, via de regra, uma dependência não-linear com o comprimento de onda ou frequência óptica trans- mitida, conforme mostrado na - T m f 1 s s o implica diferentes atrasos (velo- cidades) de propagação para os vários componentes espectrais de um dado modo de propagação, resultando na chamada dispersão material. A diversidade de componentes espectrais nos modos transmitidos é imposta pelas fontes luminosas que se caracterizam, de uma maneira geral, por emissão de luz policromática, isto é, emissão em vários comprimentos de onda em tomo de um comprimento de onda central.

O espalhamento rms devido h dispersão material B r n a ser expresso por [6,581

onde oX é a largura espectral rrns da fonte luminosa, h é o comprimento de onda central

de emissão e M = - é o parâmetro de dispersão material do meio que compõe \ /'

o núcleo, expresso geralmente em unidades de ps/(nrn.km) para cada comprimento de onda. A Figura 3.31 mostra o parâmetro de dispersão material da sílica em função do comprimento de onda [20].

~ ~ d i s ~ e r ' s ã ' o matenaflpode ser reduzida, de acordo com a Equação (3.37) e a Figura 3.31: utilizando-se fontes luminosas com menor largura espectral (ver Figura 3 .28)Gperando-se a fibra em comprimentos de onda maiore70bseme que existe um valor h para o qual a dispersão material é nula. O comprimento de onda de dispersão material zero varia com a dopagem utilizada, sendo no caso de sílica pura da ordem de 1,27pm [60,61]. Este fato, associado às características de atenuação mínima, favoreceu o desenvolvimento de sistemas de transmissão por fibras ópticas na região de 1,3pm.

-o total pode geralmente ser despre~ado em face do efeito dominante da dispersão 'modal. Por outro lado, a dispersão material tem uma contribuição importante para a dispersão total em fibras multimodo índice gradual (Fig. 3.28) e em fibras monomodo. No caso das fibras monomodo índice degrau deve-se considerar a distribuição de po- tência no núcleo e na casca da fibra, o que resulta na seguinte expressão para o cálculo da dispersão material:

126 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Dispersão material (M) I [psl(nm.km)l

Figura 3.31 Parâmetros de dispersão material da sílica [20].

3.4.2.3 Dispersão do Guia de Onda

A dispersão por tejeitos do guia de onda+ resulta. principalmente, da hependencia dof E ~ r ~ c a r a c t e r í s t i c o do guia de onda luminoso com relação ao comprimento de onda da luz transmitida. ~onsiderando-se o índice de refraçãi do mateia1 da fibra inde- pendente do comprimento de onda (dispersão material nula), o atraso (de grupo) de propagação de um modo qualquer é uma função não-linear de V, conforme ilustrado na Figura 3.32, para o caso de fibras multimodo ID com A < < 1 [ll]. Para um valor fixo qualquer de V, existe um atraso (de grupo) de propagação diferente para cada modo, implicando, portanto, uma distorção (dispersão) do sinal óptico na saída da fibra.

No caso d e h r a s ~ U l ~ m O d O ae silica, a dispersa0 do guia de onda e ge~a Imen8 ~muiro pequena comparada com a dispersão material, podendo, então, ser desprezada. Por outro lado, em fibras monomodo a dispersão por efeitos do guia de onda assume uma grande importância, pois, alem de ser de magnitude equivalente, tem a propriedade de, em determinados comprimentos de onda, compensar a dispersão material.

Fibrasópticas 127 I

Figura 3.32 Atraso de grupo devido a dispersão do guia de onda em função do número V em fibras multimodo ID [ll].

O espalhamento rms causado pela dispersão do guia de onda no caso de fibras monomodo pode ser estimado por [20]

- - - O x X

An (1 + 6 ) v $uia de onda h

onde ox é a largura espectral rms da fonte luminosa, An C a diferença absoluta de índices de refração (núcleo-casca interna), 6 é o peso relativo da casca interna, h é o comprimen- to de onda central de emissão e b é a constante de propagação normalizada. Na Figura 3.33 são comparados os valores do parâmetro de dispersão do guia de onda

[V di 0'1 para diversos valores de 6, em duas relaçbes de raios da c a r a interna e do L -1

núcleo. As linhas cheias na Figura 3.33 correspondem à região de operação monomodo, enquanto que a cruz do eixo horizontal indica a condição de corte do modo fundamental.

I28 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Figura 3.33 Dispersão de guia de onda em fibra monomodo [20]

A dispersão do guia de onda em fibras monomodo tem o efeito de cancelar a dispersão material em determinados comprimentos de onda diferentes do ponto de dis- persão material zero [62]. O comprimento de onda para o qual a dispersão cromática é nula varia muito pouco com o tipo de dopante utilizado na confecção da fibra, mas depende bastante dos parâmetros caractensticos do guia de onda (perfil de indices e dimensões), conforme pode ser observado na Figura 3.34. O deslocamento, através da manipulação do perfil e das dimensões de fibras monomodo, da dispersão cromática nula da região de 1,31m, (dispersão material zero da sílica) para a região de 1,551m onde a atenuação é mínima, tem caracterizado o desenvolvimento das chamadas fibras com dispersão deslocada.

As características da dispersão de guia de onda e, portanto, da dispersão cromá- tica em fibras monomodo podem ser alteradas modificando-se o perfil de índices e as dimensões do guia de onda, como ilustrado na Figura 3.35. Com um perfil de indices do tipo W (casca-intema-rebaixada-estreita) e as dimensões adequadas, é possível obter-se uma região espectral de dispersão cromática mínima (W2 na Figura 3.35). Este último tipo de comportamento da dispersão cromática em fibras monomodo tem caracterizado o desenvolvimento das chamadasfibras com dispersão plana.

Fibras óptica 129

Dispersáo cromática tpWnm.km)l

Figura 3.34 Contribuição dos dopantes na dispersáo cromática de fibra monomodo (linha cheia = índice degrau sem dopantes; linha tracejada = índice degrau Ge02/-; linha

A'n pontilhada = casca interna rebaixada larga Ge02/F e - = -0,57 ) [201. An

De maneira geral, considerando-se diferenças de índices de refração práticas, a anulação da dispersão cromática em fibras monomodo com perfil de índice degrau fica mui ta à faixa de 1300 a 1400nm. Por outro lado, fibras com perfil de índices tipo =a-interna-rebaixada-larga (Fig. 3.17 (c)) ou casca-interna-rebaixada-estreita (Fig. 3- 1 i ( d j) permitem estender essa faixa para, respectivamente, 1300- 1650nm e 1260- 17CMh.m [64]. Todavia, para um mesmo comprimento de onda de dispersão cromática nila. as fibras monomodo com casca-interna-rebaixada-larga permitem maiores diferen-

130 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

I 1 ças de índices de refração e menores valores de Nh, oferecendo, portanto, vantagens em '

termos de menores perdas [20].

Dispersão cromática [ps/(nm . km)]

Figura 3.35 Dispersão cromática em vários tipos de fibras monomodo: a) índice degrau; b) casca-interna-rebaixada larga; c) casca-interna-rebaixada-estreiia (efeito de dopagens desprezados) [20]. 1

Fibras ópticas I31

A Tabela 3.14 resume as características de dispersão em fibras ópticas

Tabela 3.14 Resumo das características de dispersão.

3.4.2.4 Capacidade de Transmissão

Tipo de fibra

Multimodo ID

Multimodo IG 1%

(i$ a6,, = 2 - T

Monomodo

Em fibras multimodo, os efeitos da dispersão do guia de onda na dispersão cromática podem ser desprezados, resultando numa dispersão total da fibra dada por

No caso de fibras multimodo ID, a dispersão total resulta em

Obs.:

M parâmetro de dispersão material

P, fração de potência no núcleo da fibra monomodo

oh largura espectral rms da fonte luminosa

L, comprimento de equilíbrio moda1

L comprimento da fibra

Total

d"iodal + o:atcnal

Dispersúo (rms)

Moda1

"1 5 (LcL)1'2

n 1 ~ 2 - 2 0 6 c

(LcL)"2

-

Cromática

Material

o, M L

Guia de onda

-

132 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de S i s t e m

enquanto para fibras multimodo IG com perfil gradual ótimo tem-se

onde n, é o índice de refração do núcleo (ou do eixo do núcleo no caso IG) no comprimento de onda central de emissão, A é a diferença relativa de índices de refração do núcleo (ou eixo do núcleo) e da casca, c 6 a velocidade da luz no vácuo, Lc é O

comprimento de equilíbrio modal, oh é a largura espectral rms da fonte luminosa, M é o parâmetro de dispersão material referente ao núcleo e L C o comprimento da fibra.

A dispersão total em fibras monomodo inclui apenas os efeitos da dispersão cromática (material e do guia de onda), resultando em

onde M representa o parârnetro de dispersão material referente à casca (n2) no caso de índice degrau ou à casca externa (n3) no caso de perfil casca-interna-rebaixada, h C o comprimento de onda central de emissão e os outros parâmetros são os mesmos definidos anteriormente (Figs. 3.17 e 3.33).

A capacidade de transmissão de uma fibra óptica costuma ser expressa em termos de um produto banda passante x distância (B x L), o que reflete uma linearidade da dispersão com o comprimento da fibra. Todavia, no caso das fibras multimodo, como foi visto anteriormente, essa relação é inexata, pois não leva em consideração o fenô- meno de acoplamento de modos. Portanto, para fibras multimodo, uma especificação mais adequada da capacidade de transmissão deveria ser feita pela expressão B.Lq, onde 0,5 =s q < 1 C um parâmetro determinado experimentalmente, de valor típico igual a 0,7 [58, 65, 661 ou 0,85 em fibras multimodo IG otimizadas (dispersão material predo- minante) [67].

Na ausência do fenomeno de interferência intersimbólica [68] característico em transmissão digital, a relação da taxa máxima de transmissão de informação em bits por segundo com a banda passante expressa em Hertz depende apenas do tipo de sinal ou código utilizado na modulação dos pulsos luminosos. No caso do sinal ou código on-off NRZ (onde o pulso luminoso ocupa todo o intervalo de tempo equivalente ao bit), a taxa teórica máxima em bits por segundo (taxa de Nyquist) 6 equivalente ao dobro da banda passante expressa em Hertz. Por outro lado, para sinais ou códigos tipo RZ (onde os

Fibras bptka~ 133

pulsos luminosos ocupam apenas a metade do tempo do bit), a taxa máxima de Nyquist em bits por segundo é equivalente à banda passante expressa em Hertz. Na prática, porem, essas relações são limitadas pelo fenomeno de interferência intersimbólica que implica fatores de conversão variando de 2 a 1 bits/Hz no caso do sinal on-off NRZ e de I a 0,5 bit/Hz no caso dos sinais RZ.

No caso de fibras ópticas, a tolerância ao fenomeno de interferência inter- simbólica (sem equalização) costuma ser definida para sinais on-off NRZ, em termos de uma dispersão no máximo igual a um quarto do intervalo de tempo do bit (T), resultando na seguinte expressão para o limite da taxa de transmissão de informação [69]:

onde o representa a dispersão total experimentada pelos pulsos transmitidos. A banda passante óptica (-3 dB) de uma fibra C definida pela frequência de modulação em que a potência luminosa cai para a metade do valor da frequência de modulação zero (nível DC). Considerando-se uma fibra com um comportamento gaussiano e dispersão rms o rem-se:

cujo equivalente elktrico em termos de banda passante é:

*ó tica Bcl(tncq-3 =

Das expressdes (3.43), (3.44) e (3.45) pode-se estabelecer o seguinte fator de conversão prático, determinando a capacidade de transmissão digital de sinais on-off .VRZ em fibras ópticas:

Estes valores podem evidentemente ser otimizados, considerando-se o uso de equalizadores nos receptores ópticos. É importante observar que a determinação da capacidade de transmissão final de um sistema de transmissão por fibras ópticas deve incluir outros fatores dispersivos introduzidos (por exemplo, pelos transmissores e recep- tores ópticos), conforme será visto nos Capítulos 7 e 8.

A Tabela 3.15 resume as características das principais fibras ópticas padro- nizadas pelo CCITT e IEC.

134 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Tabela 3.15 Características de cabos com fibras ópticas usuais (padronizados pelo CCITT e IEC).

3.5 Técnicas de Fabricação

O material dielétrico usado na fabricação de fibras ópticas deve atender aos seguintes requisitos básicos:

Fibras monomodo

-

9,7

125

250

-

- 0.50 0.25

- > 100.000

. > 10.000

Tipo

Diâmetro do núcleo (pm)

Diâmetro moda1 (2wo)

Diâmetro da casca (pm)

Diâmetro do revestimento (P)

AN

Atenuação (dB/km) @ 850 nm @ 1300 nm @ 1550 nm

Banda passante (MHz . km) @ 850 nm @ 1300nm @ 1550nm

excelente transparência (baixa atenuação) nas frequências ópticas de inte- resse;

materiais na casca e no núcleo com propriedades térmicas e mecânicas compatíveis e índices de refração ligeiramente diferentes;

Fibras muiíimodo ZG

possibilidade de realização de fibras longas, finas e flexíveis.

5011 25

50

-

125

250

0,20

2.8 0,9 -

600 1000 -

ZOOIZ40

1 O0

-

140

250

0.29

5.0 2.5 -

1 O0 100 -

62,51125

62,5

-

125

250

0.28

3,3 1 2 -

200 500 -

851125

85

-

125

250

0.26

3,5 2.0 -

200 200 -

Fibras ópticas 135

Isso restringe a confecção de fibras ópticas a, basicamente, duas classes de materiais: vidros e plásticos. O plástico, conforme foi visto anteriormente, limita o alcance das aplicações a distâncias curtas, por apresentar níveis de atenuação relativa- mente altos. Por outro lado, o plástico pode ser utilizado na realização da casca e do núcleo, ou apenas da casca, com vantagens em termos de custos e em aplicações em ambientes hostis, onde sua resistência mecânica é maior. Todavia, é a classe dos vidros a mais interessante para constmção de fibras ópticas aplicadas aos sistemas de teleco- municações, em razão das características de atenuação mais favoráveis.

Na classe dos vidros, considerando-se a janela espectral típica das fibras atual- mente (0,7 a 1,6pm), destacam-se dois tipos fundamentais:

vidros de sílica (Si02) pura ou dopada;

vidros multicompostos

A distinção entre estes dois tipos de vidros para fibras ópticas reside, principal- mente, nos processos de fabricação. Em ambos os casos, os materiais em questão têm , m a estrutura vítrea isotrópica e são transformados em fibra na forma de um fluido.

As fibras de vidros de sílica com dopantes caracterizam-se por um processo de fabricação baseado em duas etapas. Na primeira etapa é fabricado, através de um processo de deposição química de vapor, um bastão de sílica com a composição de dopantes (Ge02, P205, B203 e F) desejada para o núcleo e a casca de fibra. Este bastão de d i c a preliminar, chamado depreforma, é transformado numa fibra óptica numa segunda srapa, através de um processo de puxamento em alta temperatura (aproximadamente 2.000°C).

No caso das fibras de vidros multicompostos, primeiramente são formados bastões de vidro multicomposto, um para o núcleo e outro para a casca, pelo processo clássico de fabricação de vidros a partir de materiais em p6 muito puros. Os bastões de vidro multicompostos assim formados são, então, utilizados num processo de fusão &reta, através de um mecanismo conhecido como duplo-cadinho, para a formação da fibra óptica. Os vidros multicompostos constituem-se principalmente de silicatos de baixo ponto de fusão (em tomo de 1.00O0C), tais como, por exemplo, Na20 -B203 -SiO, e S a O -CaO - SOL.

7

136 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

3.5.1 Fibras de Sílica

3.5.1.1 Técnicas de Fabricação de Preformas

As preformas utilizadas na fabricação de fibras de sílica consistem num bastão cilíndrico de vidro cuja composição material (sílica pura ou dopada) reflete a estrutura núcleo/casca da fibra óptica, isto é, material de índice de refração superior envolto por material de índice de refração inferior, segundo espessuras e concentrações bem dcterminadas.

As técnicas de fabricação de preformas baseiam-se num processo de deposição de vapor (Chemical Vapor Deposition - CVD), bastante utilizado na fabricação de semicondutores, onde a sílica e os óxidos dopantes são sintetizados por oxidação em estado de vapor a alta temperatura. O modo como é feita a deposição de vapor químico dá origem a duas categorias básicas de técnicas de fabricação de preformas:

deposição de vapor químico externa (os materiais são depositados extema- mente a superfície de uma haste de suporte)

deposição de vapor químico interna (a deposição dos materiais ocorre na superfície interna de um tubo de sílica pura).

No caso da deposição de vapor químico extema, esta pode ser feita lateralmente ou axialmente à haste de suporte inicial, resultando nas seguintes técnicas de fabricação de preformas:

OVD (Outside Vapor Deposition)

VAD (Vapor-phase Axial Deposirion)

Por outro lado, os processos de deposição interna de vapor químico podem ser distinguidos, pela maneira como é estimulada (aquecimento) a deposição, nas seguintes técnicas:

MCVD (Modvied Chemical Vapor Deposition)

PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)

Fibras ópticm 137

Técnica OVD

A técnica OVD (Outside Vapor Deposition) foi desenvolvida pela Corning Glass Works nos EUA e utilizada na fabricação da primeira fibra óptica (monomodo) com perdas inferiores a 20 dB/km 170,711. Nesta técnica, cujos passos são ilustrados na Figura 3.36, primeiramente uma camada de partículas de vidro (SiO, + óxidos dopantes) é depositada em tomo de uma haste de suporte (bait rod), em cerâmica cristalina ou grafite, para formar uma preforma cilíndrica de vidro porosa. A composição do vidro (diferença de índices) e as dimensões do núcleo e da casca são definidas pelo controle dos compo- nentes de vapor, durante o processo de deposição, camada por camada. O processo permite a realização de qualquer tipo de perfil, em particular, um perfil de índices gradual multicamada (, 1000 camadas). A homogeneidade da deposição C garantida pelo efeito conjunto dos movimentos rotacional e translactional contínuos com que a haste de suporte é submetida. Completado o processo de deposição de vapor químico, a haste de suporte é retirada, resultando num tubo (preforma) poroso. A preforma porosa obtida é então purificada (de radicais OH') e, depois, vitnficada num processo de. sinterização localizada, em atmosfera seca e uma temperatura em tomo de 1500°C, formando uma preforma de vidro transparente (Fig. 3.36(b)). A região oca no centro da preforma desaparece num processo de colapsamento que ocorre durante a fase de puxamento da fibra a uma temperatura de aproximadamente 1900°C (Fig. 3.36(c)). Esta técnica permite 3 fabricação de fibras monomodo com dispersão deslocada; por outro lado, dificulta bastante a obtenção de fibras com dispersão plana.

A técnica OVD caracteriza-se pelo seguinte desempenho típico [21, 70, 71,9]:

a) Taxa de deposição: típica 1-4 glmin; 10 g/min

b) Perdas: praticamente limitada a perdas de espalhamento; < 1 dB/km (1, 3pm); 0.16 dB/km (1,55pm)

d) Restrições de dimensões: nenhuma

e) Dispersão: multimodo índice gradual (1 a 3 GHz.krn)

f) Resistência: adequada

g) Material dopante: Germânio, Fósforo, Boro e Flúor

h) Tamanho da preforma: grande (> 10 krn de fibra)

138 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

b partkulas finas de vidro

movimento rotacional

- movimento

translacional

a) deposição de pó de vidro

Preforma

1 ' Preforma de vidro

/b Fibra

b) sinterizaçáo de preforma c) puxamento da fibra

Figura 3.36 Fases da fabricação de fibras ópticas segundo a técnica OVD.

Técnica VAD

A técnica VAD (Vapor-phase Axial Deposition) é uma técnica de fabricação de preforma por deposição externa de vapor químico desenvolvida pela NTT no Japão [72, 73, 741. Nesta técnica, ilustrada na Figura 3.37, as partículas de vidro formadas na oxidação dos vapores reagentes são depositadas gradativarnente na base de um bastão de síiica (seed rod) que funciona como suporte (axial) para a formação da preforma porosa. A medida

Fibras óvticas I39

que a preforma porosa cresce, o bastáo de suporte, em rotação permanente para manter a simetria cilindrica da preforma, C lentamente puxado para cima. A preforma porosa, continuamente puxada para cima, passa por um fomo em forma de anel que se encarrega do processo de sinterização, transformando-a numa preforma de vidro transparente. Na técnica VAD, não existe a região oca no centro da preforma, como no caso da técnica OVD, não existindo, portanto, o processo de colapsamento. Uma das principais carac- terísticas desta técnica 6 permitir a fabricação de preformas em comprimentos quase contínuos. O controle adequado dos reagentes e do tempo de deposição permite obterem- se fibras multimodo e monomodo com índices degrau ou gradual. Esta técnica facilita a fabricação de fibras monomodo com dispersão deslocada; por outro lado, a realização de fibras monomodo com dispersão plana é bastante difícil.

Bastáo de suporte

w\ Camara de reaqao porosa u

Chamas com reagentes

Fgpra 3.37 Mecanismo de fabricação de preforma segundo a técnica VAD [72].

A tCcnica VAD caracteriza-se pelo seguinte desempenho típico [21, 72.73, 74, 9. 33::

140 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

a) Taxa de deposição: 6 g/min com fibras monomodo e 4 a 5 glmin em fibras multimodo

b) Perdas: limitadas pelo espalhamento; perdas de absorção por OH- igual a 0,04 dB/km em 1 , 3 9 p ; 0,20 dB/km (1,55pm)

d) Restrições de dimensões: nenhuma

e) Dispersão: fibras multimodo índice gradual 6 GHz.km (1,3pm)

0 Resistência: adequada

g) Material dopante: Germânio, Fósforo, Boro e Flúor

h) Tamanho da preforma: muito grande (> 20 km)

Técnica MCVD

A técnica MCVD (Modvied Chemical Vapor Deposition), ilustrada na Figura 3.38, pertence à classe dos processos de fabricação de preformas com deposição de vapor químico interna [75, 76, 771. Nesta técnica, desenvolvida pelo Bell Laboratories nos EUA, as partículas de vapor oxidado (vidro) são depositadas internamente num tubo de sílica aquecido a uma temperatura de aproximadamente 1300 a 1600°C e sinterizadas numa camada de vidro por uma chama de oxigênio-hidrogênio que se move para a frente e para trás ao longo do tubo. Quando a camada de vidro depositada tiver a espessura desejada, o fluxo de vapores reagentes é interrompido e o tubo é aquecido fortemente (1900°C) para transformar (colapsamento) o tubo numa preforma cilíndrica sólida. A obtenção de fibras com índice gradual é realizada variando-se a composição do fluxo de vapor, camada por camada (tipicamente 50 a 70 camadas). No caso de fibras multimodo, o tubo de sílica inicial serve como casca, enquanto em fibras monomodo serve basica- mente como substrato de suporte. Esta técnica permite realizar facilmente fibras mono- modo com dispersão deslocada ou com dispersão plana.

Fibras ópticas 141

Controladores de fluxo

/ / ' depósito de tubo de sílica vidro c articulas 1

(substrato) de vidro ,I

chama de oxigênio e hidrogênio 2

Figura 3.38 Esquema da fabricação de preforma segundo a técnica MCVD.

A técnica MCVD caracteriza-se pelo seguinte desempenho típico [2 1,76,63] :

a) Taxa de deposição: 0,5 g/min (típica)

b) Perdas: limitadas pelo espalhamento; multimodo índice gradual 0,6 a 0,7 dB/km típicos (1,3pm); monomodo 0,38 dB/km (1,31m) e 0,22 dB/krn (1,551m)

c) AN típico: 0,22

d) Restrições de dimensões: relação de diâmetro externo e diâmetro do núcleo maior que 1,5: 1

e) Dispersão: multimodo índice gradual 3GHz.km (1, 3pm)

f) Resistência: adequada

142 Fibras Ópticm : Tecnologia e Projeto de Sistemas

g) Material dopante: Germânio, Fósforo (para baixar a temperatura de sinteri- zação), Boro e Flúor

h) Tamanho da preforma: 10 a 20 km de fibra com 125p.m de diâmetro da casca.

Técnica PCVD

A técnica PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition), desenvolvida pela Philips na Holanda, é uma técnica de fabricação de preforma com deposição de vapor químico externa, semelhante à técnica MCVD [63, 761. Entretanto, a deposição de paru'culas no interior do tubo é ativada por um plasma (não-isotérmico), gerado por uma cavidade de microondas móvel ao longo do tubo, conforme ilustrado na Figura 3.39. Outra característica particular é que o tubo não tem movimento rotacional, a uniformida- de na deposição das camadas sendo garantida pela simetria da cavidade de microondas e, portanto, da zona de plasma. O fomo estacionário em torno do tubo garante uma temperatura entre 1000 e 110O0C, necessária para a obtenção de um vidro estável e flexível. O número de camadas depositadas pode variar de 500 a 3000. Uma variação desta técnica emprega um plasma estacionário que atua de maneira pulsada, permitindo a deposição de camadas mais finas [78]. Esta técnica é bastante adequada para a fabricação de fibras multimodo IG pela sua precisão no controle do perfil de índices. Também facilita a realização de fibras monomodo com dispersão deslocada ou com dispersão plana.

Cavidade de microondas móvel

ma não-isotérmico

Figura 3.39 Esquema de fabricação de preforma segundo a técnica PCVD [631.

I '-1 Forno estacionário

Fibras bptica 143

A técnica PCVD caracteriza-se pelo seguinte desempenho tipico [63,21];

a) Taxa de deposição: 3 glmin

b) Perdas: limitadas pelo espalhamento; perdas de OH- < 0 , l dB1km a 1380nm; fibras multimodo fndice gradual 0,57 dB/km (1, 3p.m); monomo- do com dispersão plana 0,30 dB/km ( 1 , 5 5 p )

c) AN máximo: 0,2

d) Restrições de dimensões: relação de diâmetro de casca e do núcleo superior a 1,5:1

e) Dispersão: multimodo IG típica 2,5 GHz.krn (1,3pm); dispersão plana t 1 pslnmlkm (1,3 a 1,6pm)

f) Resistência: adequada

g) Material dopante: Germânio, Fósforo, Boro e Flúor

h) Tamanho de preforma: 10 a 20 km de fibra com diâmetro externo igual a 125pm.

A Figura 3.40 resume os principais passos que diferenciam as técnicas de fabricação de preformas apresentadas. As tCcnicas de deposição interna (MCVD e PCVD) necessitam do processo de colapsamento. As técnicas de deposição externa (OVD e VAD), por sua vez, introduzem a necessidade de processos separados para remoção da haste suporte, purificação e sinterização da preforma porosa etc.

3.5.1.2 Puxamento e Revestimento

Uma vez feita a preforma de vidro, o próximo passo na fabricação da fibra óptica é o processo chamado de puxamento. Este processo C realizado por um equipamento de puxamento cuja configuração esquemática é ilustrada na Figura 3.41. A preforma 6 colocada por um mecanismo de precisão, num fomo onde C fundida (2000°C) até o ponto de ser puxada na forma de um filamento fino (fibra). O diâmetro da fibra C controlado dinamicamente atuando-se no carretel de puxamento da fibra e no mecanismo de alimen- tação de preforma. Obtêm-se, assim, variações típicas menores que 2%. Logo após a medida do diâmetro, a fibra é revestida por um material plástico, a fim de prevenir o desgaste e a deterioração impostos pelas condições ambientais e preservar as suas propriedades ópticas e mecânicas.

144 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

Deposição externa Deposição interna de vapor químico de vapor químico

I Colapsarnento I 1 C +

I Puxarnento I

+ + I Purificação

- - - - - - I

Figura 3.40 Passos na fabricação de fibras ópticas segundo as diferentes técnicas de deposição de vapor químico [63].

I t 1

Dopagern adicional

I I Sinterização separada

Os parâmetros críticos no processo de puxamento de fibras ópticas envolvem os seguintes itens [15,21]:

v

I I I I I

temperatura de puxamento;

I - - - - , , I

método de aquecimento (fomo de grafite ou zircônio, laser CO,, chama O?-H, etc.);

material de revestimento (epoxy, silicone, epoxy curado a luz ultravioleta etc.);

tamanho da preforma;

velocidade de puxamento.

Fibras ópticas 145

, F i b r a nua I

Ponta flexível

Fibra J revestida

Figura 3.41 Diagrama esquemático do equipamento de puxamento de preforma e revestimento de fibra óptica.

3.5.2 Fibras de Vidro MuZticomposto

Técnica de Fusão Direta ou Duplo-Cadinho

As fibras ópticas de vidro multicomposto são geralmente fabncadas pela téc- nlca de fusão direta [79]. Nesta técnica, primeiro são produzidos bastões de vidros >=parados para o núcleo e para a casca, segundo o processo clássico de preparação de 1:dros a partir de componentes em pó ultrapuros. Os bastões de vidro são, posterior- msnte, fundidos (temperatura inferior a 1000°C) num dispositivo composto por dois ciliinhos cilíndricos concêntricos (duplo-cadinho), de fundo conico, com orifícios no centro para o fluido escorrer e formar a fibra, conforme ilustrado na Figura 3.42 para o 2 ~ x 1 de fibras multimodo IG [9]. O afunilamento mais longo do cadinho externo (com

I46 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

relação ao orifício do cadinho interno) cria uma região de difusão i6nica do vidro da casca na composição do vidro do núcleo, permitindo obter-se uma variação gradual do índice de refração do núcleo da fibra. A técnica do duplo-cadinho exige cuidados espe- ciais com relação às fontes de impurezas constituídas, principalmente, pelas condições ambientais no fomo de fabricação dos bastões de vidro e pelos cadinhos. Os bastões de vidro multicomposto são geralmente feitos em cadinhos de sílica pura, enquanto que o sistema duplo-cadinho é feito de platina ultrapura.

Bastão de vidro Bastão de vidro

Figura 3.42 Esquema de fabricação de fibra óptica de vidro multicomposto segundo o método do duplo-cadinho.

A técnica do duplo-cadinho caracteriza-se pelo seguinte desempenho típico [15, 21,791:

a) Taxa de produção: muito alta (0,5 a 5 m/s)

b) Perdas: 3 a 5 dB/km (850nm); alta absorção de OH' em comprimentos de onda mais longos

c) Faixa de AN: 0,2 a 0,6

- Fibras ópticas ' 147

d) Restrições de dimensões: nenhuma (precisão f lpm)

e) Dispersão: 400 a 900 KHz.krn (multimodo IG)

f) Resistência: menor resistência e durabilidade que fibras de sílica

g) Composição típica: Na20 -B20, -%O2; N%O -CaO -Si02

h) Comprimento defibra: permite a fabricação em comprimentos contínuos

3.6 Cabos Ópticos

Os cabos ópticos são estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras ópticas que têm como funções básicas prover as fibras de [80-821:

proteção e ---

As características de transmissão dos guias de onda luminosos são sensíveis a influências mecânicas e arnbientais, conforme foi visto anteriormente. O cabeamento, portanto, procura proteger a fibra ou as fibras contra adversidades mecânicas ou ambien- tais durante a instalação ou operação do suporte de transmissão. Por exemplo, os cabos ópticos devem ser suficientemente resistentes de modo a evitar que as fibras se quebrem com as tensões de puxamento do cabo durante a sua instalação [83]. Devem, também, prover a rigidez necessária a fim de prevenir curvaturas excessivas nas fibras. No caso

I

dos cabos submarinos transoceânicos, pode ser necessário que os cabos ópticos supor- tem, por exemplo, pressões equivalentes a vários quilômetros de profundidade em água salgada. Por outro lado, no caso dos cabos ópticos aCreos, estes devem permitir às fibras operarem adequadamente sob condições de temperaturas extremas (invemofverão). En- fim, o empacotamento de múltiplas fibras em um único cabo tem implicações evidentes em termos de facilidades de manuseio.

148 Fibras Ópticas : Tecnologia e Projeto de Sistemas

3.6.1 Características de Transmissão

As características de transmissão de uma fibra óptica nua podem ser afetadas pelo processo de cabeamento [81]. No caso das fibras multimodo, as características asso- ciadas às perdas por microcurvaturas, dispersão modal, diâmetro efetivo do núcleo e abertura numérica costumam ser as mais afetadas. Por outro lado, o cabeamento de fibras monomodo pode afetar, principalmente, as perdas por microcurvaturas e o comprimento de onda de corte. Em particular, é muito difícil, na prática, obter-se uma relação entre o comprimento de onda de corte de fibra cabeada e o de fibra não-cabeada.

O CCITT (recomendação G.652) define um comprimento de onda de corte efetivo medido com um segmento de fibra de 2 metros contendo uma curvatura completa com raio de 14cm [81]. De um modo geral, o comprimento de onda de corte de segmentos longos de fibras ópticas cabeadas está sempre bem abaixo do valor obtido com o segmento de 2 metros.

O desempenho de um cabo óptico pode diminuir ao longo do tempo, por três razões principais [8 1 ] :

atenuação crescente em função da presença de hidrogênio [84], que pode ser gerado pela corrosão metálica da estrutura de suporte físico do cabo em presença de água ou pela decomposição de material plástico de reves- timento:

fadiga estática, podendo fazer com que uma fibra quebre anos após a instalação do cabo;

envelhecimento térmico da estrutura do cabo, fazendo com que a atenuação induzida por microcurvaturas aumente.

3.6.2 Características Operacionais

A estrutura de um cabo óptico deve facilitar o manuseio e as emendas com as fibras, uma vez que uma significativa parcela dos custos atribuídos ao cabo, num sistema de trans- missão (a longa distância) por fibras ópticas, está associada a dificuldades com os procedimentos de instalação. É importante, portanto, que os cabos, assim como as fibras, tenham revestimentos facilmente removíveis no campo, de modo a facilitar a instalação e eventuais reparos. Normalmente, as fibras são codificadas com cores para rápida

Fibras ópticas 149

identificação e organizadas em subunidades contendo tipicamente de 1 a 12 fibras. As estruturas e os procedimentos de instalação dos cabos ópticos variam conforme a apli- cação (cabos internos, cabos aéreos, cabos subterrâneos, cabos submarinos etc.) [ 8 5 ] .

3.6.3 Tipos de Cabos

I E 3.6.3.1 Estruturas Básicas

I i A fibra óptica, durante o processo de fabricação, é revestida por uma camada de plástico

de proteção, conforme foi visto anteriormente. Em alguns casos, esse revestimento de proteção básica é suficiente para permitir que a fibra seja utilizada diretamente numa estrutura de cabeamento. Entretanto, na maioria das aplicações, 6 necessário prover a fibra de proteção adicional através de um procedimento comumente conhecido por buffering.

O processo de buffering de uma fibra em cabo óptico pode ser basicamente de dois tipos [22, 811:

modo solto (loose)

modo compacto (tight)

M O ~ O Solto (Loose)

A estrutura de buffering em modo solto é mostrada na Figura 3.43. Um tubo longo, com o diâmetro interno muito maior que o diâmetro da fibra, contém a fibra, isolando-a das tensões no cabo (forças externas e contrações devido a variações de temperatura). A fibra pode mover-se livremente com relação as paredes do tubo. O material do tubo de buffering deve ser duro, liso e flexível; as dimensões típicas do tubo são de 1 a 3mm [22]. O tubo costuma ser preenchido (principalmente nos cabos de uso externo) por um material viscoso - tipicamente composto de silicone e petroquímicos - que, alem de proteção adicional contra impurezas (por exemplo, água), provê uma lubrificação para os movimentos da fibra. Existe uma série de variações desta técnica, incluindo a possibi- lidade de múltiplas fibras num mesmo tubo. No caso de cabos para uso interno mais imunes às tensões e variações ambientais, pode-se deixar o tubo vazio; entretanto, pode

150 Fibras Ópticas: Tecnologia e Projeto de Sistemar

ser interessante preencher o tubo para aumentar a resistência ao esmagamento, por exemplo, em cabos instalados em assoalhos, sob o tapete.

- fibra revestida

fibra revestida

composto de preenchimento

a) modo compacto (tight) b) modo solto (loose)

Figura 3.43 Estruturas básicas de cabos ópticos.

Este tipo de estrutura básica é vantajosa para cabos ópticos submetidos a importantes tensões durante a sua instalação ou em operação, tais como os cabos aéreos e cabos submarinos. A estrutura básica em modo solto é, também, a estrutura mais adequada para os sistemas de telecomunicações a longa distância (ver Cap. 8), onde é crítico um desempenho com baixas perdas a longo prazo.

Modo Compacto (Tight)

A estrutura em modo compacto (tight) é ilustrada na Figura 3.43. Uma camada de proteção em plástico duro (nylon ou poliéster, tipicamente) é extrusada diretamente sobre a fibra revestida. Dimensões típicas apontam para diâmetros da ordem de 0,5 a lmm 1221. Ao contrário da estrutura em modo solto, neste caso, as fibras são submetidas imediata- mente às tensões aplicadas ao cabo. Por outro lado, o modo compacto provê menores dimensões (permitindo a realização de cabos multifibras mais densos) e maior resistência a forças de esmagamento. Além disso, no caso de cabos multifibras, o modo compacto garante maior precisão das posições das fibras, permitindo automatizar, por exemplo, a realização de emendas (ver Cap. 6).

Este tipo de estrutura básica para cabos ópticos costuma ser usado pnncipal- mente para atender à demanda de cabos com dimensões pequenas, úteis, por exemplo, em instalações em dutos existentes bastante congestionados. Além disso, a estrutura em

Fibras ópticas 151

modo compacto provê excelente resistência ao esmagamento, por exemplo, no caso de cabos instalados sob o tapete, em escritórios.

3.6.3.2 Cabos Multifibras

O empacotamento de várias fibras num único cabo óptico pode ser realizado de diversas maneiras a partir das duas estruturas básicas apresentadas acima e segundo o tipo de aplicação.

A Figura 3.44(a) ilustra um cabo óptico com 12 fibras, baseado na estrutura elementar em modo solto [81]. Os tubos contendo as fibras são colocados em volta de um elemento central cilí'ndrico (metálico ou não-metálico), que funciona como estrutura de suporte físico ao cabo, garantindo uma resistência adequada às tensões. Um outro tipo de cabo óptico multifibra [81], baseado no princípio do modo solto, é mostrado na Figura 3.44(b). Neste caso, o membro estrutural central cilíndrico é envolvido por um corpo (core) de suporte na forma de estrela (em plástico polietileno), com ranhuras em V ou slots onde as fibras são colocadas.

Observe que o cabo ilustrado na Figura 3.44(b) contém um par de condutores metálicos para fins de energização remota de equipamentos.

Cabos óptiqos com até 100 fibras podem ser realizados adequadamente com estruturas circulares (Fig. 3.44) ou com estruturas elementares planas, conforme ilus- trado na Figura 3.45. Todavia, para cabos com mais de 100 fibras, as estruturas com cabos elementares planos tendem a ser mais adequadas [82]. A Figura 3.45 ilustra exemplos de cabos ópticos multifibras (12, 144 e 600 fibras) baseados em estruturas com cabos planos elementares [82]. Essa estrutura permite obter-se, por exemplo, cabos com 1000 fibras com diâmetro de 37mm.

152 Fibras bpticas: Tecnologia e Projeto de Sistemas

Composto de preenchimento

Membro estrutural (a 2mm)

Encapsula r metálico

Fibra revestidas corpo de polietileno soltas

Figura 3.44 Exemplos de cabos ópticos baseados em estmturas loose.

Fibras ópticas 153

Elementos tensores

a) cabo com 12 fibras (BICC)

Membros tensores Membros tensores

Capa interna (PVC) Cabos planos trançados

Composto de preenchimento

b) cabo com 144 fibras (ATT)

Cabo plano com 5 fibras

c) cabos com 200 e 600 fibras

Figura 3.15 Cabos ópticos baseados em cabos elementares planos.