Luz Através da Fibra

1. Introdução

A ideia básica da fibra óptica é que a luz irradiada em uma de suas extremidades alcance a extremidade oposta, mesmo que essa fibra seja dobrada ou arqueada. Isto se deve aos fenômenos que ocorrem quando a luz, que ao viajar de um meio opticamente mais denso para um menos denso, é refratada além da normal e da reflexão no ângulo crítico. Esses fenômenos ópticos parecem ter pouca relação entre si, mas estão intrinsecamente relacionados e são explorados no desenho da fibra óptica.

Como mostrado na Figura 1, a luz viaja de uma extremidade à outra da fibra óptica por reflexão interna total, mesmo quando a fibra é dobrada.

Portanto, o mecanismo básico de transmissão da luz ao longo de uma fibra óptica 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. A fibra corresponde ao meio onde um sinal luminoso é inserido em uma das extremidades e guiado através do núcleo, propagando-se por reflexões sucessivas até o extremo oposto. Seu desenho corresponde a uma estrutura cilíndrica, com um núcleo altamente refrativo no interior de uma haste de vidro com índice refrativo mais baixo, que corresponde à casca e o conjunto protegido por um revestimento que propicia a resistência mecânica.

2. Modos de Propagação

Nas fibras ópticas, a propagação da luz ocorre devido à reflexão interna total e a transmissão de sinais de luz se dá com as diversas distribuições possíveis dos campos eletromagnéticos. Cada configuração resultante dessas combinações indica um “modo de propagação” com características próprias que incluem, entre outros fatores, a velocidade de propagação, comprimento de onda etc. Cada modo de propagação corresponde então a uma trajetória diferente dos raios luminosos, com um valor específico que é determinado pelo ângulo de incidência da luz na fibra.

2.1. Modos Vazados

Os modos vazados são modos de propagação que estão apenas parcialmente confinados no núcleo da fibra óptica. Esses modos caracterizam-se por irradiarem (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.

Vazamentos de sinal de luz podem ocorrer quando o índice de refração entre o núcleo e a casca da fibra óptica é pequeno, conforme mostra a Figura 3.

Os modos vazados podem carregar quantidades significativas de potência luminosa em fibras ópticas de comprimento relativamente curto. A maioria desses modos desaparece após percorrerem alguns centímetros de fibra. Contudo, alguns com perdas baixas podem alcançar distâncias da ordem de até quilômetros. Assim, a existência de modos vazados tem implicações práticas nas medições de fibras ópticas, particularmente na determinação da abertura numérica e das perdas de propagação.

2.2. Modos Irradiados

A solução das Equações de Maxwell para as condições de contorno imposta por uma fibra óptica inclui, além 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 são conhecidos como irradiados e correspondem aos raios que estão fora do cone de aceitação da fibra óptica e são refratados para a casca, mostrado na Figura 4.

Como a casca de uma fibra óptica prática tem espessura finita e é envolta por um material de proteção ou suporte físico, alguns dos modos irradiados podem ser guiados pela casca e a existência desses modos irradiados pela casca da fibra pode afetar as medidas de sinal em razão do fenômeno de acoplamento de modos. Por exemplo, os modos guiados pela casca podem ser acoplados a modos guiados pelo núcleo a partir de descontinuidades (emendas) na fibra óptica, implicando uma redução da banda passante efetiva.

2.3. Acoplamento de Modos

As características de propagação de uma fibra óptica podem se afastar daquelas previstas teoricamente para o caso de um guia de onda dielétrico perfeito (cilíndrico, núcleo homogêneo, curvatura, entre outras). Na realidade, as imperfeições existem no guia de onda prático, traduzidas em termos de desvios de geometria básica (eixo curvo, variações no diâmetro e outros) e de irregularidades na composição do núcleo e da casca (não homogeneidade, por exemplo), que podem mudar as características de propagação da fibra óptica.

O efeito das imperfeições em fibras ópticas práticas, que podem ser causadas na fabricação ou no simples manuseio operacional da fibra, é o de acoplar energia de um modo de propagação em outro, dependendo do tipo de perturbação. Por exemplo, em uma 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.

O acoplamento de modos tem implicações importantes na determinação das características de transmissão das fibras ópticas. Os modos irradiados guiados pela casca, podem se acoplar aos modos de ordem superior, guiados pelo núcleo, inclusive os modos vazados. Isso é possível porque o campo elétrico evanescente de um modo guiado pelo núcleo interage com os modos guiados pela casca.

3. Dispersão

Dispersão é uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos através de uma fibra óptica. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica, dada em MHz.km, e está relacionada com a capacidade de transmissão de informação das fibras.

Os mecanismos básicos de dispersão são:

• Dispersão modal;
• Dispersão cromática.

3.1. Dispersão Modal

Este tipo de dispersão só existe nas fibras multimodo, sendo provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Não ocorre dispersão modal em fibras monomodo, pois apenas um modo de luz será guiado através da fibra.

Numa fibra óptica multimodo de índice degrau, nem todos os modos viajam com a mesma velocidade, pois o índice de refração não é constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem (que percorrem caminho mais longo) demorarão mais tempo para percorrer a fibra do que os modos de baixa ordem (Figura 5).

Nas fibras ópticas de índice gradual, o núcleo tem um índice de refração que diminui com o aumento da distância radial do eixo óptico, conforme mostra a Figura 6.

A vantagem das fibras multímodo de índice gradual em comparação com as fibras multímodo de índice degrau é, portanto, a diminuição considerável na dispersão modal.

3.2. Dispersão Cromática

A dispersão cromática é um fenômeno de propagação do sinal ao longo do tempo resultante das diferentes velocidades dos raios de luz no interior da fibra óptica (Figura 7).

A dispersão cromática é a combinação dos efeitos de dispersão do material e dispersão do guia de onda:

• Dispersão do material – Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são perfeitas, temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso;
• Dispersão do guia de onda – Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica, dependendo também do comprimento de onda da luz. Só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material reduzida.

Conclusão

A comunicação por fibras ópticas é um campo interdisciplinar que combina ciência, tecnologia e sistemas de comunicação. As redes ópticas fornecem a base para as redes de comunicação atuais e futuras e, por esse motivo, torna-se tão importante compreender os princípios básicos de como a luz percorre a fibra, como funcionam os enlaces de dados e os parâmetros de desempenho dos sistemas de transmissão por fibras ópticas.

Até o próximo artigo!

Autor: José Maurício sócio diretor da Ratio Consultoria e Professor Universitário