Fibras Ópticas e seus Componentes

Prévia do material em texto

�
Introdução
      A intensa e crescente utilização do espectro eletromagnético em sistemas de comunicações, nas últimas décadas, levou à busca de condições e meios que permitissem ampliar e otimizar seu emprego. Os resultados têm aparecido sob diversas formas, sendo interessante destacar o progressivo aumento na freqüência da onda eletromagnética, chegando-se a comprimentos de onda da ordem de 1 cm.
O emprego da luz para transportar um sinal representa um largo degrau neste encurtamento, até então gradual. Com a luz estamos saltando bruscamente para comprimento de onda dentro da faixa de 3900A (violeta) a 750A (vermelha), ou seja, comprimento de onda cerca de 10000 vezes menores.
Teoria da condução da luz - Princípio de propagação 
Reflexão interna total
A relação entre velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz num meio qualquer define índice de refração do meio em questão, expresso por n=c/c(meio).
Dessa forma, fica fácil entender o princípio de funcionamento das fibras ópticas que é realmente muito simples. Sabe-se que meios dielétricos mais densos correspondem a velocidade de propagação da luz menor e vice-versa. O índice de refração de determinado material é em função do comprimento da onda. A propagação da luz numa interface de dielétricos com índices de refração diferentes resulta nos fenômenos de refração e reflexão. Existe uma situação limite para a refração onde um raio incidente com um determinado ângulo, menor que 90° , conhecido como ângulo crítico, implica num raio refratado que se propaga paralelamente na interface entre os dois dielétricos. Qualquer raio incidente com um ângulo superior ao ângulo crítico não será mais refratado, mas será refletido totalmente. Esse efeito de reflexão interna total é o mecanismo básico de propagação da luz em fibras ópticas.
Raios inclinados ou oblíquos
Os raios inclinados tendem a se propagar na região do núcleo próximo à casca, segundo uma trajetória helicoidal de difícil visualização em duas dimensões. Além de contribuírem para aumentar a capacidade de captação da luz da fibra ótica, os raios inclinados têm implicações, também, na análise das perdas de propagação ao longo da fibra óptica.
CABOS ÓPTICOS
Os cabos ópticos são estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras ópticas que têm como funções básicas prover as fibras de: proteção, facilidade de manuseio.
As características de transmissão dos guias de onda luminosos são sensíveis a influências mecânicas e ambientais, conforme foi visto anteriormente. O cabeamento, portanto, procura proteger a fibra ou as fibras contra adversidades mecânicas ou ambientais durante a instalação ou operação. Por exemplo, os cabos devem ser suficientemente resistentes de modo a evitar que as fibras se quebrem com as tensões de puxamento do cabo durante a sua instalação. Devem, também, prover a rigidez necessária fim de prevenir curvaturas excessivas nas fibras.
CONECTORES
Os conectores ópticos são dispositivos passivos que permitem realizar junções temporárias ponto-a-ponto entre duas fibras ou, nas extremidades dos sistemas, juntando opticamente a fibra ao dispositivo fotoemissor ou fotoreceptor. A qualidade da conexão é garantida pela precisão com que as peças mecânicas, que constituem o conector óptico, conseguem posicionar as extremidades das fibras com relação ao corpo exterior do conector.
Os conectores ópticos são instalados tipicamente nas extremidades dos cabos ópticos ou num dispositivo de suporte junto ao transmissor ou receptor óptico. Para ligar entre si dois cabos ópticos terminados por plugues conectores utilizam-se, em geral, realizar alinhamento correto, face a face, dos dois plugues (conectores).
O uso dos conectores ópticos em junções fibra-fibra oferece vantagens operacionais com relação às outras técnicas de conexão ponto-a-ponto (emendas) como, por exemplo, a facilidade de manuseio que não exige nenhum equipamento sofisticado ou conhecimento técnico particular.
ACOPLADORES
Os acopladores ópticos podem ser considerados como dispositivos multiportas (> 3) que permitem combinar ou separar sinais luminosos. Os acopladores ópticos passivos são dispositivos puramente ópticos operando como guias de onda luminosa e/ou elementos de transmissão, reflexão e refração da luz. Não requerem nenhuma energia de alimentação externa, além do feixe luminoso, não possuem nenhum dispositivo óptico ativo (fotoemissores, moduladores etc.) e são comumente utilizados como elementos básicos de interconexão numa variedade de sistemas e redes locais com fibras ópticas. Na maioria das redes, o desempenho dos acopladores ópticos constitui, mais que as características de transmissão da própria fibra, o principal limitante que determina a configuração ótima da rede.
�
ESTRUTURA FíSICA BÁSICA
Uma fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (em geral, sílica ou plástico), segundo 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. A seção em corte transversal mais usual do núcleo é a circular, porém as 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 (freqüências ópticas) através do núcleo da fibra óptica. O mecanismo básico de transmissão da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica, num processo de reflexão interna total que ocorre quando o feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso.
As características mecânicas das fibras ópticas, expressas, por exemplo, em termos de resistência e flexibilidade, dependem do material dielétrico utilizado e da qualidade do processos de fabricação.
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 principalmente na capacidade de transmissão (banda passante) e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectores luminosos, resultam dessa classificação básica os seguintes tipos de fibras ópticas:
MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU
As fibras ópticas do tipo multimodo índice degrau (ID), conceitualmente as mais simples, foram as pioneiras em termos de aplicações práticas. O tipo de perfil de índices e as suas dimensões relativamente grandes implicam uma relativa simplicidade quanto à fabricação e facilidades operacionais: apresenta, porém, uma capacidade de transmissão bastante limitada.
MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL
As fibras multímodo índice gradual (IG), de conceituação e fabricações um pouco mais complexas caracterizam-se principalmente pela sua maior capacidade de transmissão com relação às fibras multímoda índice degrau. Desenvolvidas especialmente para as aplicações em sistemas de telecomunicações, as fibras multímodo IG apresentam dimensões 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.
MONOMODO
As fibras monomodo têm dimensões muito pequenas, dificultando, portanto, a conectividade: caracteriza-se, entretanto, por uma capacidade de transmissão bastante superior às fibras do tipo multímodo.
Embora tenham sido fabricadas pioneiramente e tenham demonstrado suas potencialidades em termos de banda passante cedo, as fibras monomodo tiveram seu desenvolvimento e aplicações retardadas por mais de uma década. As dimensões muito reduzidas das fibras exigem o uso de dispositivos e técnicas de alta precisão para a realização de conexões entre segmentosde 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 multímodo índice gradua. Todavia, a contínua tecnológica vem superando gradativamente os inconvenientes de conectividade, 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.
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, considerando-se o grau de sofisticação das aplicações, é possível adotar classificações (ou subclassificações) específicas, envolvendo outros critérios, tais como: