Atenuação e limitações das fibras ópticas

Nesta seção estudaremos um pouco sobre as limitações enfrentadas pela fibra, como os fatores geradores de atenuação, fatores que restringem taxa de transmissão e outras dificuldades.

A atenuação é o motivo pelo qual a fibra óptica ganhou a importância que tem nas telecomunicações. Ela define a distância máxima (alcance) que um sistema de transmissão óptico pode ter entre emissor e receptor, e pode ser medida de acordo com a seguinte fórmula:

 

a = 10 * ( log(Pi/Po) ) * ( 1 / L ),

 

onde Pi é a potência na entrada, Po é a potência na saída e L é o comprimento da fibra.

 

 

As atenuações em fibras ópticas são causadas, basicamente, por 4 razões:

•  Absorção

Como nenhum material é perfeitamente transparente, sempre ocorre uma absorção parcial de luz quando esta é forçada a atravessar um meio (absorção intrínseca). Numa fibra, além da absorção do material que compõe seu núcleo, pode haver variações de densidade, imperfeições na fabricação (absorção por defeitos estruturais), impurezas (absorção extrínseca) e outros fatores que aumentam ainda mais as perdas por absorção.

Diversas impurezas podem contaminar uma fibra. O principal motivo de atenuações em alguns tipos de fibra é a contaminação por íons metálicos, que pode gerar perdas superiores a 1 dB/km, mas que atualmente já é controlada através de tecnologias utilizadas na fabricação de semicondutores.

Há também a contaminação por íons hidroxila (OH - ), causada por água dissolvida no vidro (também chamada de atenuação por pico de água, Water Peak Atenuation , WPA), que, por sua relevância nas tecnologias pioneiras de fibra óptica, definiram intervalos de freqüências onde essa atenuação era mínima, as chamadas janelas ópticas ou janelas de transmissão. As janelas ópticas são as regiões onde não há picos de atenuação devido ao íon OH - .

Embora, graças ao avanço das tecnologias, essa barreira já tenha sido superada, as janelas ópticas continuam a servir como referência para os sistemas ópticos, sendo cada uma delas associada a um tipo de aplicação específico.

Existem 3 janelas ópticas, ao redor de 850nm, 1300nm e 1550nm, sendo que a última foi subdividida em duas menores (Banda C e Banda L) visando o melhor aproveitamento dessa região de baixas atenuações. A primeira é utilizada para sistemas a curta distância, de baixo custo e utilizando fontes e detectores simples. A segunda, por sua vez, permite enormes capacidades de transmissão, sendo utilizada geralmente pelas fibras comerciais. Finalmente, a terceira é utilizada por fibras de sílica, por constituir uma região de atenuação mínima para esse material. Nessa janela já se fabricam fibras monomodo de atenuações da ordem de 0,2dB/km, o que já é praticamente o limite teórico para tal comprimento de onda.

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O avanço da tecnologia de fabricação das fibras monomodo, como já citado, eliminou a contaminação por íons de hidroxila, permitindo a utilização de um maior número de camadas, como demonstrado na figura abaixo.

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•  Espalhamento

Espalhamento é o fenômeno de transferência de potência de um dos modos guiados pela guia para si mesmo ou para outros modos. Há diversos tipos de espalhamentos, lineares e não lineares, mas não adentrarei neles. O principal é o espalhamento de Rayleigh, causado por variações aleatórias na densidade do material da fibra, advindas do processo de fabricação. Outros espalhamentos são causados por imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra, vibrações moleculares térmicas e outros fatores, sempre causando perda na potência de luz transmitida.

 

•  Curvaturas

Quando a luz na fibra óptica encontra curvas, sejam elas macroscópicas (curva de uma fibra numa quina, por exemplo) ou microscópicas (pequenas ondulações na interface entre a casca e o núcleo), alguns raios de luz podem formar um ângulo inferior ao ângulo crítico e saírem da fibra, causando perda de potência.

 

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•  Características do guia de onda

Na prática, a potência numa fibra óptica não está totalmente presa ao núcleo. Parte da potência pode viajar pela casca da fibra óptica, de forma que passa a sofrer com as atenuações do material do qual a casca é composta (maiores que as do núcleo), o que pode diminuir a capacidade de transmissão da fibra.

 

 

Além desses fatores, ainda há a dispersão, que é um fenômeno resultante da diferença de velocidades de propagação que causa o “espalhamento” de um sinal no tempo (NÃO tem a ver com o espalhamento descrito acima, apesar do uso da mesma palavra), o que limita a taxa de transmissão através das fibras e colabora com sua atenuação.

Como na fibra de índice degrau o índice de refração do núcleo é constante, a velocidade de propagação do feixe de luz também é constante e, assim, quanto maior a distância percorrida, maior o tempo gasto para se chegar ao outro extremo da fibra. Na fibra multímodo, cada um dos modos tem uma trajetória diferente, e, portanto, percorrem distâncias diferentes. Isso pode fazer com que as informações cheguem ao receptor em momentos distintos. Esse fenômeno é uma das facetas de um tipo de distorção e atenuação no sinal de saída chamada de dispersão.

Deve-se ressaltar que este tipo de dispersão não ocorre apenas em fibras de índice gradual, mas também nas fibras de índice gradual. Nestas, no entanto, a variação gradual do índice de refração permite uma compensação da velocidade de propagação dos modos (raios) cujas trajetórias são mais longas.

A dispersão torna-se mais grave conforme a taxa de envio aumenta, já que bits enviados em seguida, por estarem "espalhados",

 

Há três tipos de dispersão:

•  Dispersão Modal ou Intermodal.

É a dispersão que foi descrita nos parágrafos introdutórios desta seção. Ela ocorre nas fibras multímodo, tanto nas de índice gradual, quanto nas de índice degrau. Ressalta-se que nas últimas, sua atuação é mais significativa.

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•  Dispersão Material.

A dispersão material e a dispersão do guia de onda compõem um tipo de dispersão chamado de dispersão intramodal ou dispersão cromática.

A dispersão material caracteriza-se pelos diferentes atrasos causados pelos vários índices de refração, que variam não-linearmente de acordo com os comprimentos de onda, causando a diferença de velocidades que caracteriza a dispersão.

•  Dispersão do Guia de onda.

Este tipo de dispersão resulta da dependência do número V característico do guia de onda em relação a cada comprimento de onda da luz transmitida. Sabe-se que o atraso de um modo varia não-linearmente com o número V.

 

No caso de fibras multímodo, as dispersões que mais influenciam são a dispersão modal e a dispersão material. Na fibra monomodo, por outro lado, pesam mais a dispersão material e a dispersão do guia de onda.

Atualmente, a maior parte dessas barreiras já foi superada, sendo o fator limitante o custo para tal.

 

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