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Atenuação da fibra óptica

A atenuação é qualquer fenómeno que causa a diminuição da potência do sinal propagado, mas não afecta a sua forma.

 

O parâmetro de atenuação unitária a é usado na descrição matemática das perdas de potência, na fibra óptica, causadas pela atenuação, e é medido a uma distância de 1 km. Ela é expresso em dB/km e é definido pela seguinte fórmula:

 

P(l1) i P(l2) – potência óptica medida, na fibra óptica, nos pontos l1 e l2 distantes entre si de L

 

A atenuação aumenta, exponencialmente, com o aumento do comprimento da fibra, reduzindo assim o alcance de transmissão. O aumento da atenuação de 3 dB corresponde à queda na intensidade do sinal propagado de 50%.

 

As perdas de potência causadas pela atenuação incluem fenómenos baseados no material, relacionados com as propriedades físicas do material do núcleo, e perdas de guia de onda, devidas à estrutura da fibra óptica (fig. 1). As perdas de materiais incluem todos os tipos de absorção e dispersão. As perdas de guia de onda são as perdas de energia causadas, nomeadamente, por microcurvaturas e macrocurvaturas, não uniformidade da distribuição do índice de refracção de luz, no limite entre o núcleo e a casca ou flutuações no diâmetro ou na forma deste limite.

 

Fig. 1. Dependência entre a atenuação unitária [a] e o comprimento de onda λ em uma fibra óptica monomodo em quartzo

 

I II III - janelas de transmissão

A - dispersão de Rayleigh

B - absorção nos iões hidróxido

C - absorção no ultravioleta

D - absorção no infravermelho

E - perdas de guia de onda

A absorção é um fenómeno que consiste em transmitir a energia de uma onda electromagnética para o material do centro em que a onda é propagada (fig. 2). Posteriormente, esta energia é dissipada em forma de oscilação de partículas (principalmente, oscilação térmica) ou através da emissão. A energia pode ser absorvida por uma partícula apenas em porções rigorosamente definidas (quanta) que são determinadas pela frequência da onda electromagnética ν. Com a absorção do fotão, é transferida a energia necessária para induzir uma partícula para o nível de energia mais alto, reduzindo assim o fluxo luminoso.

 

Fig. 2. Absorção

 

- quantum de energia de um fotão

E0 - nível de energia fundamental

E1 - nível de energia induzido

Em fibras ópticas para telecomunicações e multimédia, a absorção através da contaminação, nomeadamente, iões -OH, desempenha o papel mais importante. A absorção no infravermelho e a absorção na gama de UV é menos importante.

 

Para as ondas com um comprimento de 0,95 μm e 1,38 μm, as perdas ópticas são influenciadas, particularmente, pela presença de iões -OH para os quais há, respectivamente, a terceira e a segunda harmónica de oscilação. Para um comprimento de onda de 1,23 μm, se sobrepõem as oscilações de iões -OH com ligações de Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ e H2 (fig. 1 – B). A presença de iões -OH é um resíduo da contaminação com o vapor de água durante o processo de fabricação. Adicionando os aditivos apropriados, é possível influenciar não só na variação do índice de refracção de luz n, mas também no aumento da absorção (fig. 3).

 

Fig. 3. Dependência entre a atenuação unitária [a] e a variação do índice de refracção de luz Δn em uma fibra óptica monomodo de quartzo com um comprimento de onda de 1 μm

 

A absorção, no ultravioleta, alcança o valor máximo para um comprimento de onda de 0,2 μm. Isto é devido à expulsão de electrões de valência pelos fotões para a banda de condução. Para as ondas com um comprimento superior a 0,8 μm, a absorção, em UV, é insignificante (fig. 1 – C).

 

As propriedades do vidro de quartzo mostram que quando o comprimento de onda aumenta acima de 1,6 μm, também aumenta a absorção no infravermelho (fig. 1 – D). Com um comprimento de onda de 9 μm, as estruturas cristalinas de Si02 são expostas à ressonância, portanto, a atenuação atinge o valor máximo e a fibra óptica deixa de ser transparente.

 

A dispersão é uma alteração na direcção da radiação propagada, causada pela não uniformidade do material a nível molecular.
A dispersão de Rayleigh é uma característica predominante nas fibras ópticas para telecomunicações e multimédia; há também dispersão de Mie e dispersão estimulada de Raman e Brillouin.

 

A razão para a ocorrência da dispersão de Rayleigh (RR) é a não uniformidade do material do núcleo (causada pela imperfeição da estrutura do vidro) com dimensões substancialmente menores do que 0,03 λ. RR é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda de luz (fig. 1 - A), determinando desse modo o limite de usabilidade de fibras ópticas de quartzo para as ondas inferiores a 0,7 μm. A atenuação que depende de RR (aR) é descrita pela seguinte fórmula:

 

k – é uma constante de material compreendida no intervalo de 0,7 a 0,8 (dependendo da quantidade de aditivos)

 

RR ocorre da seguinte forma: a componente eléctrica da onda electromagnética incidente induz o momento do dipolo eléctrico que oscila com a frequência deste onda. O dipolo absorve o quantum de luz e emite-o, imediatamente, com a frequência igual à frequência de oscilação do dipolo e, portanto, da onda incidente (fig. 4). A direcção da onda dispersa é aleatória, mas é menos provável que sejam emitidas as ondas paralelas ao eixo do dipolo.

 

Fig. 4. Dispersão de Rayleigh

 

A - onda incidente

B - partícula dieléctrica dispersante (menor do que o comprimento de onda de luz)

C - onda passante (para manter a clareza da ilustração, não foi incluída a alteração da direcção da propagação da onda de luz)

D - ondas dispersas

λ[const] - comprimento de onda

A dispersão de Mie (RM) ocorre quando a onda de luz é dispersa em partículas ou agregados de moléculas com tamanho comparável ou maior do que o comprimento desta onda. Este processo não é directamente relacionado com o comprimento da onda dispersa, mas com o quociente do tamanho da partícula e do comprimento de onda. É descrito pelo parâmetro α.

 

r – raio da partícula

 

Quando o tamanho da partícula é comparável com o comprimento de onda, a dispersão é uniforme (aproximadamente) em todas as direcções. Com o aumento do valor do quociente r/λ aumenta a assimetria na dispersão observada (fig. 5). Quando r>>λ, a dispersão, na direcção consistente com a onda dispersa, é predominante (dispersão para a frente), e a variação do comprimento da onda incidente é, praticamente, insignificante.

 

Fig. 5. Dispersão de Mie. Dispersão nas imperfeições do material do núcleo da fibra óptica: A) – comparáveis/maiores do que o comprimento de onda de luz, B) – muito maiores do que o comprimento de onda de luz

 

Através da melhoria do processo tecnológico de fabricação de fibras ópticas, foram removidas (em grande parte) as bolhas de gás, bem como os agregados de elementos aditivos ou cristalitos, de modo que as perdas de potência causadas por RM foram reduzidas a 0,03 dB/km.

 

A dispersão estimulada de Brillouin (SBS) e a dispersão estimulada de Raman (SRS) são fenómenos não lineares. A interacção entre a onda electromagnética e o material do centro ocorre depois de exceder o valor limite da potência óptica.

 

SBS ocorre quando, em cabos de fibra óptica, há modos com uma potência óptica de vários mW. Em seguida, é formada uma onda invertida e a energia dos fotões é transferida, através do material do centro, para os fotões acústicos. Além disso, a frequência do modo guiado é deslocada pelo valor de:

 

n – índice de refracção de luz
ν – velocidade da onda sonora no centro

 

SRS ocorre depois de exceder a potência óptica de 1 W e envolve a interacção dos modos guiados com as vibrações moleculares do material do centro. A luz, embora dispersa, transfere o quantum de energia do fotão para a partícula dispersante e altera a sua frequência. Consequentemente, é reduzida a potência óptica dos modos com maior frequência (modos de sondagem) e aumenta a potência (bombeamento) da onda com uma frequência inferior pelo valor da frequência de Stokes. Em fibras ópticas de silício, cada duas ondas com uma diferença de frequência de 15 THz estão acopladas entre si através de SRS.

 

Outra fonte de perdas são as curvaturas da fibra, tanto as macrocurvaturas, como as microcurvaturas.

 

Uma onda que é propagada ao longo da fibra óptica e encontra uma curvatura incide sobre o limite entre a casca e o núcleo em um ângulo diferente do que o ângulo de um trecho recto da fibra óptica. Quando o ângulo de incidência é menor do que o ângulo limite, os fenómenos de reflexão interna total não ocorrem. Os modos guiados são parcialmente convertidos para os modos radiantes, por conseguinte, a refracção ocorre fora do núcleo da fibra óptica e também fora da casca (fig. 4). Uma parte de energia é perdida.

 

Fig. 4. Perdas (modos de perdas) formadas nas curvaturas da fibra óptica - macrocurvaturas

 

Θ - ângulo de incidência da frente da onda de luz sobre o limite entre o núcleo e a casca em uma curvatura da fibra óptica

Θg - ângulo limite para a reflexão interna total

As perdas que são formadas, nas curvaturas, são inevitáveis, elas podem ser minimizadas reduzindo o número de curvaturas e, em lugares onde são necessárias, utilizando as curvaturas com o maior raio de curvatura possível. Cada fabricante de fibra óptica especifica o raio mínimo de curvatura que deve ser considerado ao instalar o cabo. Este parâmetro não deve ser modificado para não comprometer, significativamente, os parâmetros do cabo.

 

As microcurvaturas ocorrem na fase de produção de fibras. Este conceito inclui todos os tipos de irregularidades na forma do limite entre o núcleo e a casca que são acidentais (microfissuras, agregados de aditivos, bolhas de gás) ou cíclicas (por exemplo, alterações de diâmetro ou geometria do núcleo ou microfissuras devidas ao aumento periódico da tensão durante o enrolamento da fibra no tambor).

 

Fig. 5. Perdas (modos de perdas) causadas pela presença de imperfeições na estrutura da fibra óptica - microcurvaturas

 

A - irregularidades do limite entre a casca e o núcleo

B - contaminação com iões

Em fibras ópticas multimodo, as microcurvaturas causam o acoplamento de modos e a conversão da energia dos modos guiados para os modos radiantes. Em fibras monomodos, causam a desfocagem de modos.