Fibras ópticas, simplificadamente, são fios que conduzem a potência luminosa injetada pelo emissor de luz, até o fotodetector. São estruturas transparentes, flexíveis, geralmente compostas por dois materiais dielétricos, tendo dimensões próximas a de um fio de cabelo humano.

Há uma região central na fibra óptica, por onde a luz passa, que é chamada de núcleo. O núcleo pode ser composto por um fio de vidro especial ou polímero que pode ter apenas 125 micrômetros de diâmetro nas fibras mais comuns e dimensões ainda menores em fibras mais sofisticadas.

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Ao redor do núcleo está a casca, que é um material com índice de refração menor. É a diferença entre os índices de refração da casca e do núcleo que possibilita a reflexão total e a conseqüente manutenção do feixe luminoso no interior da fibra.

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Ao redor da casca, ainda há uma capa feita de material plástico, como forma de proteger o interior contra danos mecânicos e contra intempéries.

A diferença entre os índices de refração do núcleo e da casca é obtida usando-se materiais distintos ou através de dopagens convenientes de semicondutores na sílica. Essa diferença caracteriza o chamado “perfil de índices da fibra óptica”.

De acordo com seus perfis de índice, as fibras podem ser classificadas em “perfil de índice degrau” e “perfil de índice gradual”, que serão abordadas adiante.

 

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A capacidade de transmissão da fibra, suas freqüências ópticas, níveis de atenuação e características mecânicas são determinados pela geometria, perfil de índices, pelos materiais e processos utilizados na fabricação da fibra.

Toda fibra óptica tem como característica um ângulo de admissão (ou de aceitação), que é o ângulo limite de incidência da luz, em relação ao eixo, para que esta penetre no cabo. Feixes de luz com ângulo superior ao de admissão não satisfazem as condições para a reflexão total e, portanto, não são conduzidos (esse ângulo limitante define um cone de aceitação de luz, mostrado na figura a seguir).

Onde n0 é o índice de refração do meio externo à fibra, n1 é o índice de refração do núcleo e n2 é o índice de refração da casca.

A partir da definição de ângulo de admissão, define-se “abertura numérica” de uma fibra que consiste no ângulo de admissão. Em alguns livros ou sites pode-se encontrar a mesma fórmula sem o n 0 no denominador. Isso pode ser feito se considerar-se o ar como o meio externo à fibra. A fórmula, portanto é:

Lembrando n 0 é o índice de refração do meio externo à fibra, n 1 é o índice de refração do núcleo e n 2 é o índice de refração da casca.

A abertura numérica de uma fibra é um parâmetro muito utilizado para calcular sua capacidade de captar e transmitir a luz. Deve-se ressaltar que a abertura numérica e o ângulo de admissão não dependem do raio do núcleo.

Antes de prosseguir no estudo dos tipos de fibras ópticas e suas aplicações, precisamos definir o conceito de modos de propagação. Os modos de propagação são soluções espaço-temporais das equações de Maxwell para cada fibra, caracterizando configurações de campos elétricos e magnéticos que se repetem ao longo do cabo. Na prática, representam as diferentes possibilidades de propagação da luz pela fibra.

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Os modos dependem do material, da geometria e do ângulo de incidência da luz na fibra. Existem condições limitadoras aos modos de propagação, isto é, condições a partir das quais uma propagação não pode existir.

O número de modos aceitáveis numa fibra são dados a partir de um parâmetro calculado com as características da fibra, o chamado número V ou freqüência normalizada, dado por:

 

Tal que a é o raio da fibra óptica, NA é a Abertura numérica e l 0 é o comprimento de onda que está sendo introduzido na fibra. Importante notar que o número V depende do raio do núcleo da fibra e do comprimento de onda da luz transmitida.

Existem valores de V para os quais um único modo pode existir numa fibra óptica (isso ocorre quando V<2,405). Essa condição caracteriza as fibras ópticas monomodo, cujas aplicações são largamente exploradas, principalmente em aplicações onde uma capacidade de transmissão muito alta é requerida.

Quanto maior o ângulo de admissão, maior é o diâmetro requerido para a fibra. Se o diâmetro for grande, a fibra pode admitir a entrada de vários raios luminosos e essas diferentes possibilidades de propagação pela fibra são denominadas modos. Cada modo é uma solução espaço-temporal das equações de Maxwell, que depende apenas do ângulo de incidência.

 

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