Física - Óptica - Apostila Fibras Ópticas

8/14/2019 Fsica - ptica - Apostila Fibras pticas

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Esta apostila foi elaborada por Severino Pereira da Silva, sendo expressamente proibida a sua reproduo,utilizao ou divulgao total ou parcial para qualquer propsito que no seja a aplicao para a qual foifornecido. Esta restrio, contudo, no se aplica ao uso das informaes contidas, que claramente foramextradas de outras fontes, de domnio publico.

As descries, especificaes, desenho tcnico, material ilustrativo, listagens de componentes e outrasinformaes desta natureza, presente nesta apostila, so fornecidos com a finalidade tcnica/informativa sobre oequipamento contratado, para o pessoal qualificado da contratante e/ou treinamento de pessoal da mesma, nosendo permitido a sua divulgao a terceiros sem a expressa autorizao por escrito do autor, O auto se reservao direito de, sem qualquer aviso prvio, fazer as alteraes que julgarem necessrias.

O autor agradece qualquer contribuio ou critica que possa melhora a qualidade desta apostila e facilitar oentendimento do equipamento que a mesma descreve.

Florianpolis Santa Catarina 29 Junho de 2006 V 01.2

IINNDDIICCEEBBRREEVVEE IINNTTRROODDUUOO SSOOBBRREE OONNDDAASS 0044


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Onda a manifestao de um fenmeno fsico no qual uma fonte perturbadora forneceenergia a um sistema e essa energia desloca-se atravs de pontos desse sistema. Observemos apropagao de um impulso numa corda para melhor entendermos esse conceito.

Cabe ressaltar que no a onda que se movimenta mas a energia fornecida pela mo (fonteperturbadora). Existem trs tipos de ondas quanto direo de propagao:

Unidimensionais Bidimensionais Tridimensionais

Cabe ressaltar tambm que dependendo do meio sob o qual a energia propaga-se, temosuma velocidade de propagao correspondente. Ondas harmnicas so tipos de ondas cujafonte perturbadora executa um movimento uniforme. O comprimento de onda o perodoespacial correspondente ao perodo temporal T. Conhecendo-se a velocidade de propagaopodemos caracterizar uma onda atravs da freqncia ou do comprimento de onda (v=.f).

EESSPPEECCTTRROO EELLEETTRROOMMAAGGNNTTIICCOO


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AA NNAATTUURREEZZAA DDAA LLUUZZ

A natureza da luz sempre foi um dos temas que sempre chamaram a ateno dos grandescientistas da humanidade. Desde a Antigidade (300 a. C.) com Euclides at Einstein ePlanck, no sc. XX. Hoje em dia, duas teorias que explicam a natureza da luz so aceitas: ateoria corpusculare a teoria ondulatria. Na teoria ondulatria, a luz tratasda como sendo

campos eletromagnticos oscilantes propagando-se no espao. Essa teoria explica fenmenoscomo reflexo, refrao, difrao, etc. Na teoria corpuscular, a luz tratada como sendopacotes de energia chamados ftons. Essa teoria explica fenmenos como o efeito Compton eo desvio do raio luminoso ao passar perto de corpos celestes.

A velocidade da luz no vcuo pode ser considerada como sendo 300000 km/s, o que nos dum erro menor que 0,1 %.

NNDDIICCEE DDEE RREEFFRRAAOO


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Grandeza que expressa a velocidade que a luz possui num determinado meio detransmisso. definido por n=c/v, onde

c a velocidade da luz no vcuo v a velocidade da luz no meio em questo

Cabe salientar que o ndice de refrao depende do comprimento de onda da luz, o que,nas fibras pticas, ir provocar a disperso do impulso luminoso, limitando a capacidade de

transmisso de sinais. Esse efeito explica a experincia de Newton da decomposio da luzbranca atravs de um prisma, como tambm a formao do arco-ris. Exemplos: vcuo n=1,0;gua n=1,3; vidro n=1,5; diamantes n=2,0.

RREEFFLLEEXXOO EE RREEFFRRAAOO

Quando uma onda incide numa superfcie de separao de dois meios de ndice derefrao diferentes, com uma certa inclinao, uma parcela da energia atravessar a superfciee propagar atravs do meio de transmisso, enquanto que outra parcela refletir nasuperfcie, continuando no meio incidente.

Ao passar para o meio de transmisso, a onda sofre um desvio de sua direo naturalregido pela lei de Snell (ni.seni=nt.sent).


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RRAAIIOOSS DDEE LLUUZZ

Podemos, por simplicidade, representar a luz indicando apenas a sua direo depropagao utilizando os raios de luz.

NNGGUULLOO CCRRTTIICCOO EE RREEFFLLEEXXOO IINNTTEERRNNAA TTOOTTAALL

Quando um raio de luz muda de um meio que tem ndice de refrao grande para um meioque tem ndice de refrao pequeno a direo da onda transmitida afasta-se da normal(perpendicular). A medida que aumentamos o ngulo de incidncia i, o ngulo do raiorefratado tende a 90o. Quando isso acontece, o ngulo de incidncia recebe o nome de ngulocrtico. Uma incidncia com ngulo maior do que este sofre o fenmeno da reflexo internatotal.


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FFIIBBRRAASS PPTTIICCAASS

Uma fibra ptica um capilar formado por materiais cristalinos e homogneos,transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visvel ou infravermelho) atravs de um

trajeto qualquer. A estrutura bsica desses capilares so cilindros concntricos comdeterminadas espessuras e com ndices de refrao tais que permitam o fenmeno da reflexointerna total. O centro (miolo) da fibra chamado de ncleo e a regio externa chamada decasca. Para que ocorra o fenmeno da reflexo interna total necessrio que o ndice derefrao do ncleo seja maior que o ndice de refrao da casca. Os tipos bsicos de fibraspticas so:

Fibra de ndice degrau Fibra de ndice gradual Fibra monomodo

FFIIBBRRAA DDEE NNDDIICCEE DDEEGGRRAAUU ((SSTTEEPP IINNDDEEXX))Este tipo de fibra foi o primeiro a surgir e o tipo mais simples. Constitui-se basicamente

de um nico tipo de vidro para compor o ncleo, ou seja, com ndice de refrao constante. Oncleo pode ser feito de vrios materiais como plstico, vidro, etc. e com dimenses quevariam de 50 a 400 m, conforme o tipo de aplicao.

A casca, cuja a funo bsica de garantir a condio de aguiamento da luz pode ser feita devidro, plstico e at mesmo o prprio ar pode atuar como casca (essas fibras so chamadas debundle).

Essas fibras so limitadas quanto capacidade de transmisso. Possuem atenuao elevada(maior que 5 dB/km) e pequena largura de banda (menor que 30 MHz.km) e so utilizadas emtransmisso de dados em curtas distncias e iluminao.


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FFIIBBRRAA DDEE NNDDIICCEE GGRRAADDUUAALL ((GGRRAADDEEDD IINNDDEEXX))

Este tipo de fibra tem seu ncleo composto por vidros especiais com diferentes valores dendice de refrao, os quais temo o objetivo de diminuir as diferenas de tempos depropagao da luz no ncleo, devido aos vrios caminhos possveis que a luz pode tomar no

interior da fibra, diminuindo a disperso do impulso e aumentando a largura de bandapassante da fibra ptica.A variao do ndice de refrao em funo do raio do ncleo obedece seguinte equao

n(r)=n1.(1-(r/a).), onde

n(r) o ndice de refrao do ponto r n1 o ndice de refrao do ncleo r a posio sobre o raio do ncleo o coeficiente de optimizao a diferena entre o ndice de refrao da casca e do ncleo

Os materiais tipicamente empregados na fabricao dessas fibras so slica pura para a

casca e slica dopada para o ncleo com dimenses tpicas de 125 e 50 m respectivamente.Essas fibras apresentam baixas atenuaes (3 db/km em 850 nm) e capacidade de transmissoelevadas. So, por esse motivo, empregadas em telecomunicaes.

FFIIBBRRAA MMOONNOOMMOODDOO

Esta fibra, ao contrrio das anteriores, construda de tal forma que apenas o modofundamental de distribuio eletromagntica (raio axial) guiado, evitando assim os vrioscaminhos de propagao da luz dentro do ncleo, consequentemente diminuindo a dispersodo impulso luminoso.

Para que isso ocorra, necessrio que o dimetro do ncleo seja poucas vezes maior que ocomprimento de onda da luz utilizado para a transmisso. As dimenses tpicas so 2 a 10 mpara o ncleo e 80 a 125 m para a casca. Os materiais utilizados para a sua fabricao soslica e slica dopada.

So empregadas basicamente em telecomunicaes, pois possuem baixa atenuao (0,7dB/km em 1300 nm e 0,2 dB/km em 1550 nm) e grande largura de banda (10 a 100 GHz.km).


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GGUUIIAAMMEENNTTOODDEELLUUZZEEMMFFIIBBRRAASSPPTTIICCAASS

AABBEERRTTUURRAA NNUUMMRRIICCAA

um parmetro bsico para fibras multimodos (degrau e gradual) que representa o ngulomximo de incidncia que um raio deve ter, em relao ao eixo da fibra, para que ele sofra a

reflexo interna total no interior do ncleo e propague-se ao longo da fibra atravs dereflexes sucessivas.

MMOODDOOSS DDEE PPRROOPPAAGGAAOO

Quando tratamos a luz pela teoria ondulatria, a luz regida pelas equaes de Maxwell.Assim, se resolvermos as equaes de Maxwell para as condies (chamadas condies decontorno) da fibra, que um guia de onda, tais como dimetro do ncleo, comprimento deonda, abertura numrica, etc. encontramos um certo nmero de solues finitas. Dessamaneira, a luz que percorre a fibra ptica no se propaga aleatoriamente, mas canalizada em

certos modos.Modo de propagao , portanto, uma onda com determinada distribuio de campoeletromagntico que satisfaz as equaes de Maxwell e que transporta uma parcela individual(mas no igual) da energia luminosa total transmitida. Esses modos podem ser entendidos erepresentados como sendo os possveis caminhos que a luz pode ter no interior do ncleo.Numa fibra ptica, o nmero de modos est relacionado com a freqncia normalizada V que

uma grandeza definida por Va AN

= 2

, onde

a o raio do ncleo o comprimento de onda AN a abertura numricaA relao entre a freqncia normalizada e o nmero de modos M dada porM

V=

2

4para fibras de ndice gradual

MV

=2

2para fibras de ndice degrau


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PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDAASS FFIIBBRRAASS PPTTIICCAASS

A fibra ptica apresenta certas caractersticas particulares, que podemos tratar comovantagens, quando comparadas com os meios de transmisso formados por condutoresmetlicos, tais como

Imunidade a rudos externos em geral e interferncias eletromagnticas emparticular, como as causadas por descargas atmosfricas e instalaes eltricas dealtas tenses;

Imunidade a interferncias de freqncias de rdio de estaes de rdio e radar, eimpulsos eletromagnticos causados por exploses nucleares;

Imune a influncia do meio ambiente, como por exemplo umidade; Ausncia de diafonia; Grande confiabilidade no que diz respeito ao sigilo das informaes transmitidas; Capacidade de transmisso muito superior a dos meios que utilizam condutores

metlicos; Baixa atenuao, grandes distncias entre pontos de regenerao; Cabos de pequenas dimenses (pequeno dimetro e pequeno peso) o que implica

em economia no transporte e instalao.

AAPPLLIICCAAEESS DDAASS FFIIBBRRAASS PPTTIICCAASS

Redes de telecomunicaes Entroncamentos locais Entroncamentos interurbanos Conexes de assinantesRedes de comunicao em ferroviasRedes de distribuio de energia eltrica (monitorao, controle e proteo)Redes de transmisso de dados e fac-smileRedes de distribuio de radiodifuso e televisoRedes de estdios, cabos de cmeras de TVRedes internas industriaisEquipamentos de sistemas militaresAplicaes de controle em geralVeculos motorizados, aeronaves, navios, instrumentos, etc.

CCAARRAACCTTEERRSSTTIICCAASS DDEE TTRRAANNSSMMIISSSSOO DDAA FFIIBBRRAA PPTTIICCAA

AATTEENNUUAAOO

A atenuao ou perda de transmisso pode ser definida como a diminuio da intensidadede energia de um sinal ao propagar-se atravs de um meio de transmisso. A frmula mais

usual para o clculo da atenuao a seguinte 10 logP

Ps

e

, onde

Ps a potncia de sada Pe a potncia de entrada

Nas fibras pticas, a atenuao varia de acordo com o comprimento de onda da luz

utilizada. Essa atenuao a soma de vrias perdas ligadas ao material que empregado nafabricao das fibras e estrutura do guia de onda. Os mecanismos que provocam atenuaoso

absoro


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espalhamento Deformaes mecnicas.

AABBSSOORROO

Os tipos bsicos de absoro so Absoro material Absoro do ion OH-

A absoro material o mecanismo de atenuao que exprime a dissipao de parte daenergia transmitida numa fibra ptica em forma de calor. Neste tipo de absoro temos fatoresextrnsecos e intrnsecos prpria fibra.

Como fatores intrnsecos, temos a absoro do ultravioleta, a qual cresceexponencialmente no sentido do ultravioleta, e a absoro do infravermelho, provocada pelasua vibrao e rotao dos tomos em torno da sua posio de equilbrio, a qual cresceexponencialmente no sentido do infravermelho.

Como fatores extrnsecos, temos a absoro devido aos ions metlicos porventurapresentes na fibra (Mn, Ni, Cr, U, Co, Fe e Cu) os quais, devido ao seu tamanho, provocampicos de absoro em determinados comprimentos de onda exigindo grande purificao dosmateriais que compem a estrutura da fibra ptica.

A absoro do OH- (hidroxila) provoca atenuao fundamentalmente no comprimento deonda de 2700 nm e em sobre tons (harmnicos) em torno de 950 nm, 1240 nm e 1380 nm nafaixa de baixa atenuao da fibra. Esse ion comumente chamado de gua e incorporado aoncleo durante o processo de produo. muito difcil de ser eliminado.

EESSPPAALLHHAAMMEENNTTOO

o mecanismo de atenuao que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiadapelos vrios modos de propagao em vrias direes. Existem vrios tipos de espalhamento(Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimulado) sendo o mais importante esignificativo o espalhamento de Rayleigh. Esse espalhamento devido no homogeneidademicroscpica (de flutuaes trmicas, flutuaes de composio, variao de presso,pequenas bolhas, variao no perfil de ndice de refrao, etc).

Esse espalhamento est sempre presente na fibra ptica e determina o limite mnimo deatenuao nas fibras de slica na regio de baixa atenuao. A atenuao neste tipo de

espalhamento proporcional a14

.

DDEEFFOORRMMAAEESS MMEECCNNIICCAASS

As deformaes so chamadas de microcurvatura e macrocurvatura, as quais ocorrem aolongo da fibra devido aplicao de esforos sobre a mesma durante a confeco e instalaodo cabo.

As macrocurvaturas so perdas pontuais (localizadas) de luz por irradiao, ou seja, osmodos de alta ordem (ngulo de incidncia prximo ao ngulo crtico) no apresentamcondies de reflexo interna total devido a curvaturas de raio finito da fibra ptica.


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As microcurvaturas aparecem quando a fibra submetida a presso transversal de maneira

a comprimi-la contra uma superfcie levemente rugosa. Essas microcurvaturas extraem parteda energia luminosa do ncleo devido aos modos de alta ordem tornarem-se no guiados.

A atenuao tpica de uma fibra de slica sobrepondo-se todos os efeitos est mostrada nafigura abaixo:


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Existem trs comprimentos de onda tipicamente utilizados para transmisso em fibraspticas:

850 nm com atenuao tpica de 3 dB/km 1300 nm com atenuao tpica de 0,8 dB/km 1550 nm com atenuao tpica de 0,2 dB/km

DDIISSPPEERRSSOO uma caracterstica de transmisso que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos.

Este alargamento determina a largura de banda da fibra ptica, dada em MHz.km, e estrelacionada com a capacidade de transmisso de informao das fibras. Os mecanismosbsicos de disperso so

modal cromtica

DDIISSPPEERRSSOO MMOODDAALL

Este tipo de disperso s existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e provocada basicamente pelos vrios caminhos possveis de propagao (modos) que a luzpode ter no ncleo. Numa fibra degrau, todos os modos viajam com a mesma velocidade, poiso ndice de refrao constante em todo o ncleo. Logo, os modos de alta ordem (quepercorrem caminho mais longo) demoraro mais tempo para sair da fibra do que os modos debaixa ordem. Neste tipo de fibra, a diferena entre os tempos de chegada dado por =t1,onde

t1 o tempo de propagao do modo de menor ordem a diferena percentual de ndices de refrao entre o ncleo e a casca dada por

=(n1-n2)/n1A disperso modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo ser guiado.

DDIISSPPEERRSSOO CCRROOMMTTIICCAA

Esse tipo de disperso depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos Disperso material Disperso de guia de onda

DDIISSPPEERRSSOO MMAATTEERRIIAALL

Como o ndice de refrao depende do comprimento de onda e como as fontes luminosasexistentes no so ideais, ou seja, possuem uma certa largura espectral finita (), temos quecada comprimento de onda enxerga um valor diferente de ndice de refrao num determinadoponto, logo cada comprimento de onda viaja no ncleo com velocidade diferente, provocandouma diferena de tempo de percurso, causando a disperso do impulso luminoso.

A disperso provocada pela disperso material dada por Ddn

cd=

, onde

a largura espectral da fonte luminosa c a velocidade da luz no vcuo n o ndice de refrao do ncleo


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DDIISSPPEERRSSOO DDEE GGUUIIAA DDEE OONNDDAA

Esse tipo de disperso provocado por variaes nas dimenses do ncleo e variaes noperfil de ndice de refrao ao longo da fibra ptica e depende tambm do comprimento deonda da luz. Essa disperso s percebida em fibras monomodo que tem disperso material

reduzida ( pequeno em torno de 1300 nm) e da ordem de alguns ps/(nm.km).

CCOONNCCLLUUSSOO

C2

Os tipos de disperso que predominam nas fibras so Degrau: modal (dezenas de MHz.km) Gradual: modal material (menor que 1 GHz.km) Monomodo: material guia de onda (10 a 100 GHz.km)

A disperso total numa fibra ptica multimodo gradual, levando-se em conta a disperso

modal e a material dada por , ondeT M2 2= +

C a disperso cromtica M a disperso material

MMTTOODDOOSS DDEE FFAABBRRIICCAAOO DDAASS FFIIBBRRAASS PPTTIICCAASS

Os materiais bsicos usados na fabricao de fibras pticas so slica pura ou dopada,vidro composto e plstico. As fibras ptica fabricada de slica pura ou dopada so as queapresentam as melhores caractersticas de transmisso e so as usadas em sistemas detelecomunicaes. Todos os processos de fabricao so complexos e caros. As fibras pticasfabricadas de vidro composto e plstico no tm boas caractersticas de transmisso (possuem

alta atenuao e baixa largura de banda passante) e so empregadas em sistemas detelecomunicaes de baixa capacidade e pequenas distncias e sistemas de iluminao. Osprocessos de fabricao dessas fibras so simples e baratos se comparados com as fibras deslica pura ou dopada.

FFAABBRRIICCAAOO DDEE FFIIBBRRAASS DDEE SSLLIICCAA PPUURRAA

Existem 4 tipos de processos de fabricao deste tipo de fibra e a diferena entre eles estna etapa de fabricao da preforma (basto que contm todas as caractersticas da fibra ptica,mas possui dimenses macroscpicas). A segunda etapa de fabricao da fibra, o puxamento,

comum a todos os processos.

MMCCVVDD ((MMOODDIIFFIICCAATTEEDD CCHHEEMMIICCAALL VVAAPPOOUURR DDEEPPOOSSIITTIIOONN))

Este processo consiste na deposio de camadas de materiais (vidros especiais) no interiorde um tubo de slica pura (SiO2). O tubo de slica o que far o papel de casca da fibra ptica,enquanto que os materiais que so depositados faro o papel do ncleo da fibra. O tubo deslica colocado na posio horizontal numa mquina chamada torno ptico que o mantmgirando em torno de seu eixo. No interior do tubo so injetados gases (cloretos do tipo SiCl4,GeCl4, etc.) com concentraes controladas. Um queimador percorre o tubo no sentidolongitudinal elevando a temperatura no interior do tubo para 1500oC aproximadamente. Osgases, quando atingem a regio de alta temperatura, reagem com o oxignio (gs de arraste)formando xidos como SiO2, GeO2, etc. liberando o Cl2. Ocorre ento a deposio departculas submicroscpicas de vidro no interior do tubo, as quais formaro o ncleo da fibra.


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A cada passagem do maarico na extenso do tubo, deposita-se uma camada de 5 a 10 m eesse processo repete-se at que o ncleo tenha dimenses apropriadas. Os xidos GeO2 e P2O5tem a funo de variar o ndice de refrao da slica pura (SiO2) de acordo com suasconcentraes.

Aps a deposio do nmero correto de camadas efetuado o colapsamento do tubo(estrangulamento) para torn-lo um basto slido e macio denominado preforma. Isso feitoelevando-se a temperatura do queimador a 1800-2000oC, e o tubo fecha-se por tensessuperficiais.

Por esse processo, obtm-se fibras de boa qualidade porque a reao que ocorre no interiordo tubo no tem contato com o meio externo, dessa maneira evita-se a deposio deimpurezas, especialmente a hidroxila (OH-). Com esse processo, pode-se fabricar fibras dotipo multimodo degrau e gradual e monomodo.

PPVVCCDD ((PPLLAASSMMAA CCHHEEMMIICCAALL VVAAPPOOUURR DDEEPPOOSSIITTIIOONN))

A diferena bsica deste mtodo, ilustrado abaixo, em relao ao MCVD que ao invs deusar um maarico de oxignio e hidrognio, usa-se um plasma no isotrmico formado poruma cavidade ressonante de microondas para a estimulao dos gases no interior do tubo deslica.


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Neste processo, no necessria a rotao do tubo em torno de seu eixo, pois a deposiouniforme obtida devido simetria circular da cavidade ressonante. A temperatura para

deposio em torno de 1100oC. As propriedades das fibras fabricadas por este mtodo soidnticas ao MCVD.

OOVVDD ((OOUUTTSSIIDDEE VVAAPPOOUURR DDEEPPOOSSIITTIIOONN))

Este processo baseia-se no crescimento da preforma a partir de uma semente, que feitade cermica ou grafite, tambm chamada de mandril. Este mandril colocado num torno epermanece girando durante o processo de deposio que ocorre sobre o mandril. Os resgentesso lanados pelo prprio maarico e os cristais de vidro so depositados no mandril atravsde camadas sucessivas. Nesse processo ocorre a deposio do ncleo e tambm da casa, eobtm-se preformas de dimetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande

comprimento (40 km ou mais). Aps essas etapas teremos uma preforma porosa (opaca) ecom o mandril em seu centro. Para a retirada do mandril coloca-se a preforma num fornoaquecido a 1500oC que provoca a dilatao dos materiais. Atravs da diferena de coeficientede dilatao trmica consegue-se soltar o mandril da preforma e a sua retirada. O prprioforno faz tambm o colapsamento da preforma para torn-la cristalina e macia. Esseprocesso serve para a fabricao de fibras do tipo multimodo e monomodo de boa qualidadede transmisso.


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VVAADD ((VVAAPPOOUURR AAXXIIAALL DDEEPPOOSSIITTIIOONN))

Neste processo, a casca e o ncleo so depositados mas no sentido do eixo da fibra(sentido axial). Neste processo utilizam-se dois queimadores que criam a distribuio detemperatura desejada e tambm injetam os gases (reagentes). Obtm-se assim uma preforma

porosa que cristalizada num forno eltrico temperatura de 1500oC. Este processo obtmpreformas com grande dimetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo.


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PPUUXXAAMMEENNTTOO

Uma vez obtida a preforma, por qualquer um dos mtodos descritos acima, esta levada auma estrutura vertical chamada torre de puxamento e fixada num alimentador que a introduz

num forno (normalmente de grafite, que utiliza maaricos especiais ou lasers de alta potncia)com temperatura de aproximadamente 2000oC que efetua o escoamento do material formandoum capilar de vidro, a fibra ptica.

O dimetro da fibra depende da velocidade de alimentao da preforma no forno e davelocidade de bobinamento da fibra, ambas controladas por computador. O controle desseprocesso feito atravs de um medidor ptico de dimetro (que funciona a laser ).


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FFAABBRRIICCAAOO DDEE FFIIBBRRAASS DDEE VVIIDDRROO CCOOMMPPOOSSTTOO

Os vidros mais utilizados so o SiO2-B2O3-Na2O sendo o ndice de refrao controladopela concentrao de Na2O.

MMTTOODDOO RROODD--IINN--TTUUBBEE

Este mtodo consiste na insero de vidros na forma de basto e tubo simultaneamente noforno de puxamento, o qual efetua o escoamento dos materiais ao mesmo tempo. Assim,obtem-se fibras degrau do tipo slica-slica (casca e ncleo de vidro) e variaes como fibrasde slica-silicone (esticando-se apenas o basto, que forma o ncleo e aplicando-se o silicone,que forma a casca) e fibras bundle (esticando-se apenas o basto, que forma o ncleo, com acasca formada pelo prprio ar), as quais so utilizadas em iluminao.

DDOOUUBBLLEE CCRRUUCCIIBBLLEE ((DDUUPPLLOO CCAADDIINNHHOO))

Este processo semelhante ao anterior, mas os vidros vm na forma de basto, os quaisso introduzidos no forno do puxamento, que contm dois cadinhos. Neste processo, ageometria dos vidros alimentadores no to importante como no processo anterior. Neste


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processo consegue-se a variao do ndice de refrao atravs da migrao de ions alcalinosque mesclam a concentrao dos vidros interno e externo.

FFAABBRRIICCAAOO DDEE FFIIBBRRAASS DDEE PPLLSSTTIICCOO

A fabricao de fibras de plstico feita por extrao. As fibras pticas obtidas com estemtodo tm caractersticas pticas bem inferiores s de slica, mas possuem resistncias

mecnicas (esforos mecnicos) bem maiores que as fibras de slica. Tm grandes aplicaesem iluminao e transmisso de informaes a curtas distncias e situaes que oferecemgrandes esforos mecnicos s fibras.

CCAABBOOSS PPTTIICCOOSS

O uso de fibras pticas gerou uma srie de modificaes nos conceitos de projeto efabricao de cabos pticos para telecomunicaes. Nos cabos de condutores metlicos aspropriedades de transmisso eram definidas pelo condutor, construo do cabo e materiaisisolantes. Estes cabos eram pouco afetados nas suas caractersticas pelas traes e toresexercidas sobre os cabos durante a fabricao e instalao. J nos cabos pticos, a situao diferente porque as caractersticas de transmisso dependem apenas da fibra ptica e suafragilidade notria. No projeto de cabos pticos so observados os seguintes itens:

Nmero de fibras aplicao Minimizao de atenuao por curvaturas Caractersticas de transmisso estvel dentro da maior gama de temperatura

possvel Resistncia trao, curvatura, vibrao, compresso adequadas. Degradao com o tempo (envelhecimento) Facilidade de manuseio, instalao, confeco de emendas, etc.Durante a fabricao e instalao no se deve aplicar tenses excessivas sobre a fibra,

pois a mesma tem ruptura terica a 1800 kgf/mm. Na prtica costuma-se no exceder 250 g detenso para fibras de 125 m de casca. O revestimento da fibra ptica deve ser deslizante(autolubrificante). Assim sendo, quando o revestimento primrio for o silicone aplica-se umacamada de nylon. No caso do acrilato no necessria a aplicao do nylon.

CCOONNSSTTRRUUOO DDEE CCAABBOOSS PPTTIICCOOSS


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A construo de cabos pticos efetuada atravs de vrias etapas de reunio de vrioselementos, aplicao de capas, enchimentos, encordoamentos em equipamentos especiais, taiscomo extrusoras e planetrias. Neste processo efetua-se a cordagem das fibras em torno deelementos de apoio e trao. Para garantir-se uma probabilidade de longa vida para o cabo, necessrio no submeter a fibra a tenses elevadas. Para isso, so utilizados, durante aconstruo, elementos tensores e tubos os quais absorvem as solicitaes mecnicas aplicadasno cabo. Esses elementos so muito importantes na construo do cabo assegurandoestabilidade dimensional do mesmo.

EESSTTRRUUTTUURRAA TTIIGGHHTT ((AADDEERREENNTTEE))

Neste tipo de estrutura, as fibras pticas esto em contato com a estrutura do cabo ptico.Possuem, por esta razo, elementos de trao bem resistentes.

EESSTTRRUUTTUURRAA LLOOOOSSEE ((NNOO AADDEERREENNTTEE))

Neste tipo de estrutura, a fibra ptica fica afastada da estrutura do cabo acondicionada emtubos (plsticos ou metlicos).


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MMEEDDIIDDAASS EEMM FFIIBBRRAASS PPTTIICCAASS

Para a caracterizao das fibras pticas so efetuadas medies que verificam ascaractersticas de transmisso das fibras, a saber:

Atenuao espectral Atenuao de insero Atenuao por retroespalhamento Largura de banda Abertura numrica Perfil de ndice de refrao

TTEESSTTEE DDEE AATTEENNUUAAOO EESSPPEECCTTRRAALL

Este tipo de teste mede a atenuao da fibra ptica numa faixa de comprimentos de onda,normalmente contendo o comprimento de onda em que a fibra operar. efetuado emlaboratrio devido complexidade e preciso e fornece dados sobre a contaminao quepode ter ocorrido na fabricao da preforma e puxamento, principalmente o OH -.

O teste consiste em se medir a potncia de luz aps percorrer toda a fibra nos vrioscomprimentos de onda que se deseja medir a atenuao, esta a primeira medida, ou ainda, apotncia de sada. Aps isso, corta-se a fibra a 2 ou 3 metros do incio, sem alterar as

condies de lanamento, e mede-se a potncia de luz nesse ponto, que pode ser consideradocomo a potncia de entrada, uma vez que 2 ou 3 metros tem atenuao desprezvel; esta a

segunda medida. De posse das duas medidas, calcula-se a atenuao por AP

Ps

e

= 10 log

[dB].


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Onde: (1) - fonte de luz (2) - lentes (3) - monocromador (4) - fibra de lanamento (5) - eliminador de luz nas casca (6) - fibra ptica a ser medida (7) - detector ptico (8) - medidor de potncia (9) - acoplamento FONTE-FIBRA optimizado (10) - acoplamento FIBRA-FIBRA optimizado (11) - acoplamento FIBRA-DETECTOR optimizado


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TTEESSTTEE DDEE AATTEENNUUAAOO DDEE IINNSSEERROO

Este teste mais apropriado para situaes de campo e ele mede a atenuao da fibraptica apenas num comprimento de onda, normalmente mede-se no comprimento de onda queo sistema opera. O teste utiliza dois instrumentos portteis: o medidor de potncia e a fonte deluz.

O teste divide-se em duas etapas, na primeira efetuada uma calibrao dos doisinstrumentos, para conhecermos a potncia de luz que ser lanada, na fibra ptica, e nasegunda efetuada a medida de potncia aps a luz percorre toda a fibra ptica. A diferenaentre as duas ser o valor de atenuao.

TTEESSTTEE DDEE AATTEENNUUAAOO PPOORR RREETTRROOEESSPPEELLHHAAMMEENNTTOO

Este teste realizado com um instrumento chamado OTDR (optical time domainreflectometer), que significa refletmetro ptico no domnio do tempo. O instrumento faz usodo fenmeno do espalhamento de Rayleigh, que a irradiao da luz das molculas de vidro,proporcional luz incidente. O instrumento faz uso deste fenmeno da seguinte forma:

Gera-se um impulso luminoso que inserido na fibra ptica sob teste. Ao percorrer a fibra at um ponto X, a luz atenuada. Ao chegar no ponto X, a luz provoca o espalhamento de Rayleigh das molculas de

vidro desse ponto, com intensidade proporcional luz existente nesse ponto. Como o espalhamento homogneo em todas as direes, parte dessa energia

luminosa retorna fonte (OTDR). A luz que retorna fonte tambm atenuada. importante observar que a

atenuao do retorno fonte igual atenuao do sinal at o ponto X, pois ocaminho de propagao o mesmo.

O OTDR mede a potncia de luz que retorna fonte, bem como o tempo gasto paraque o impulso gerado v at o ponto X e retorne ao incio da fibra.

Para que o OTDR possa calcular a localizao do ponto X, necessrio fornecer-lhe ondice de refrao da fibra sob teste. Para este clculo, o instrumento faz uso da seguinte

frmula L vt

=2

, onde

L a distncia entre o ponto X e o incio da fibra ptica t o tempo de propagao do sinal luminoso de ida e volta ao ponto X v a velocidade da luz na fibra dada por v=c/n (c a velocidade da luz no vcuo e

n o ndice de refrao fornecido ao instrumento)


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importante observar que a atenuao s precisa se o espalhamento de Rayleigh forhomogneo em toda a fibra ptica. As vantagens deste tipo de medida que necessitamos deapenas uma ponta da fibra, no destrutivo, possibilita medir comprimentos, atenuao dasemendas, atenuao nos conectores, localiza defeitos, etc. Como desvantagens, podemoscitar:

Possui pequena faixa dinmica de medidas

A atenuao s precisa se o espalhamento de Rayleigh for homogneo em toda afibra ptica Necessita do ndice de refrao No mede atenuao espectral

Sua utilizao muito comum em todas as fases de implementao dos sistemas pticos.Os instrumentos e acessrios utilizados neste teste so clivador, cordo de fibra delanamento prprio para o OTDR utilizado (pig tail) e o OTDR.

TTEESSTTEE DDEE LLAARRGGUURRAA DDEE BBAANNDDAA

Este teste determina a mxima velocidade de transmisso de sinais que uma fibra ptica

pode ter, ou seja, mede a capacidade de resposta da fibra ptica. O teste realizado com oobjetivo de sabermos se a fibra ptica tem condies de operar com a taxa de transmissoespecificada para o sistema. Existem duas formas bsicas de realizarmos a medida:- no domnio do tempo;- no domnio da freqncia.

Para a realizao do teste no domnio do tempo devemos realizar a montagemda figura abaixo.

Medida no domnio do tempo

- atravs do laser de gs, gera-se um impulso luminoso de curta durao.- com o osciloscpio mede-se as formas de onda dos impulsos de entrada e sada.


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- se os impulsos tiverem forma Gaussiana (distribuio de Gauss), mede-se a largura dosimpulsos meia altura (50% da mxima amplitude).

- calcula-se a largura de banda por: BS E=

1

5 2 2

Onde:S

2 a largura meia altura do impulso de sada

E2 a largura meia altura do impulso de entrada

- se os impulsos no apresentarem forma Gaussiana, obtem-se a largura de banda passante no

domnio da freqncia definida por: HP t e dt

P t e dt

Si t

Ei t

=

+

+

( )

( )

Onde:P tS ( ) a forma do impulso de sadaP tE ( ) a forma do impulso de entrada

O teste de largura de banda no domnio da freqncia consiste na obteno direta, atravsde medidas, da funo H(W). recomendado para situaes de campo (instalao,manuteno). Este teste consiste em modularmos uma fonte de luz senoidalmente, fazendouma varredura na freqncia de modulao. A energia luminosa introduzida na fibra pticae detectada na outra extremidade por um medidor de potncia.


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Medida no domnio da freqncia

O mdulo da funo transferncia dado pela seguinte expresso:

H(W)= Ps(W)PE(W)

Onde:Ps(W) a potncia de sada em funo da freqncia de modulaoPE(W) a potncia de entrada em funo da freqncia de modulao

Assim obtemos:

Onde se pode obter a banda passante B.A largura de banda tpica para fibras multimodo menor que 1000MHz.km (500 a 600)

em 850nm e para fibras monomodo temos de 10 a 100GHz.km em 1300nm.Este teste importante ser realizado em sistemas de fibras multimodo pois quando

emendamos fibras com larguras de banda diferentes o resultado pode ser imprevisvel. Uma

expresso que prev estatisticamente a largura de banda resultante : B Bii

=

1

,

onde:Bi a banda passante do i-simo trecho

o fator de concatenao de modos determinado empiricamente (para fibras pticas

multimodo = 0,8 um valor tpico, podendo variar de 0,5 a 1).


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TTEESSTTEE DDEE AABBEERRTTUURRAA NNUUMMRRIICCAA

A abertura numrica um nmero que define a capacidade de captao luminosa da fibra

ptica e definida por: AN n n= 12

22 , onde:

n1 o ndice de refrao do ncleon2 o ndice de refrao da casca

ou ainda: AN = sen2

, onde:

Esta grandeza intrnseca prpria fibra e definida na fabricao, onde tem maiorimportncia.

O valor tpico para abertura numrica nas fibras multimodo 50/125um 0,2 o quecorresponde a um ngulo =23 e =11,5. Como a abertura numrica equivalente distribuio de luz do campo distante, o teste mede a intensidade de luz desse campo.

Medida da distribuio de luz no campo distante

As medidas so obtidas atravs de um detector que percorre um deslocamento angular oupela projeo do feixe de luz num anteparo graduado. Desta maneira se obtem o ngulo deabertura do feixe luminoso.


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TTEESSTTEE DDOO PPEERRFFIILL DDEE NNDDIICCEE DDEE RREEFFRRAAOO

Este teste tem maior importncia na fase de fabricao de fibras pticas.No existem limites para o perfil de ndice ,uma vez que qualquer imperfeio no mesmo

implica numa diminuio da banda passante da fibra ptica , esta sim com limites especficos.O valor do ndice de refrao num determinado ponto proporcional distribuio de luz docampo prximo.

Medida da distribuio de luz no campo prximo

IINNSSTTAALLAAOO DDEE CCAABBOOSS

Cabos pticos requerem cuidados especiais para instalao pois as fibras so materiaisfrgeis e quebradios. Deve-se observar que:- o cabo no deve sofrer curvaturas acentuadas, o que pode provocar quebra das fibras em seuinterior.- o cabo no deve ser tracionado pelas fibras ou elementos de enchimento adjacentes a elas,mas sim pelos elementos de trao ou ao existentes no cabo.- a velocidade de puxamento no deve ser muito elevada para permitir uma paralizaoimediata se necessria.- no se deve exceder a mxima tenso de puxamento especificada para o cabo. Esta deve sermonitorada, atravs de uma clula de carga ,durante todo o puxamento.- o cabo deve ser limpo e lubrificado a fim de diminuir o atrito de tracionamento.- deve-se puxar o cabo com um destorcedor para permitir uma acomodao natural do cabono interior do duto ou canalizao.

CCOONNFFEECCOO DDEE EEMMEENNDDAASS

Existem dois tipos bsicos de emendas que podem ser efetuadas:

- emenda por fuso- emenda mecnica


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EEMMEENNDDAA PPOORR FFUUSSOO

Neste tipo de emenda a fibra introduzida numa mquina , chamada mquina de fuso,limpa e clivada, para , aps o alinhamento apropriado, ser submetida um arco voltaico queeleva a temperatura nas faces das fibras, o que provoca o derretimento das fibras e a suasoldagem. O arco voltaico obtido a partir de uma diferena de potencial aplicada sobre doiseletrodos de metal.

Aps a fuso a fibra revestida por resinas que tem a funo de oferecer resistnciamecnica emenda, protegendo-a contra quebras e fraturas. Aps a proteo a fibraemendada acomodada em recipientes chamados caixa de emendas.

As caixas de emendas podem ser de vrios tipos de acordo com a aplicao e o nmero defibras. Umas so pressurizveis ou impermeveism, outras resistentes ao sol, para instalaoarea.

A CLIVAGEM o processo de corte da ponta da fibra ptica. efetuada a partir de umpequeno ferimento na casca da fibra ptica (risco) e a fibra tracionada e curvada sob o risco,assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra.

A qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscpio.

EEMMEENNDDAA MMEECCNNIICCAA

Este tipo de emenda baseado no alinhamento das fibras atravs de estruturas mecnicas.So dispositivos dotados de travas para que a fibra no se mova no interior da emenda econtm lquidos entre as fibras, chamados lquidos casadores de ndice e refrao, que tem afuno de diminuir as perdas de Fresnel (reflexo). Neste tipo de emenda as fibras tambmdevem ser limpas e clivadas.

Este tipo de emenda recomendado para aqueles que tem um nmero reduzido de

emendas a realizar pois o custo desses dispositivos relativamente barato, alm de seremreaproveitveis.

CCOONNEECCTTOORREESS

Os conectores utilizam acoplamentos frontais ou lenticulares, sendo que existem trs tiposde acoplamentos frontais:- quando a superfcie de sada maior que a de entrada


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- quando a superfcie de sada igual de entrada

- quando a superfcie de sada menor que a de entrada

E tambm existem dois tipos de acoplamentos lenticulares:

- simtrico

- assimtrico

Os requisitos dos conectores so:- montagem simples;- forma construtiva estvel;- pequenas atenuaes;- proteo das faces das fibras.

Os fatores que influenciam na qualidade de um conector so:


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- alinhamento- montagem- caractersticas de transmisso das fibras

Existem conectores:- para fibra nica- para vrias fibras (mltiplo)

Conector para fibra nica

Conector mltiploCom relao forma que se realiza o alinhamento podemos ter vrios tipos de estruturas

sendo que os mais comuns so os circulares e os tipo V-GROOVE. Os tipos circulares so


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recomendados para coneces duradouras enquanto que os V-GROOVE para situaesprovisrias de coneces de fibras nuas(sem revestimento).

Tipos de alinhamentos de fibras pticas

FFoonntteess ppttiiccaass

TTiippooss ddee FFoonntteess ppttiiccaass

Para sistemas pticos, encontramos dois tipos de fontes pticas que so freqentementeutilizadas: LED e LASER.

Cada um destes dois tipos de fontes oferecem certas vantagens e desvantagens, ediferenciam-se entre s sob diversos aspectos:


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- Potncia luminosa: os lasers oferecem maior potncia ptica se comparados comOs leds.

LED : (-7 a -14dBm)

LASER: (1dBm)

- Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o queProporciona menor disperso material.

- Tipos e velocidades de modulao: os lasers tm velocidade maior que os leds, masnecessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

- Acoplamento com a fibra ptica: o feixe de luz emitido pelo laser mais concentrado que oemitido pelo led, permitindo uma eficincia de acoplamento maior.

- Variaes com temperatura: os lasers so mais sensveis que os leds temperatura.

- Vida til e degradao: os leds tem vida til maior que os lasers (aproximadamente 10 vezesmais), alm de ter degradao bem definida.

- Custos: os lasers so mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricao maior.

- Rudos: os lasers apresentam menos rudos que os leds. Ambos podem ser fabricados domesmo material, de acordo com o comprimento onda desejado:

* AlGaAs (arseneto de alumnio e glio) para 850 nm.


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* InGaAsP (arseneto fosfeto de ndio e glio) para 1300 e 1550 nm.

Atravs das caractersticas de ambos os elementos, vemos que o laser o que nos forneceuma maior potncia luminosa e uma menor largura espectral, razo pela qual amplamenteempregado nos circuitos pticos. Desta forma, faremos um breve entendimento sobre osconceitos bsicos do laser, bem como o seu funcionamento como fonte ptica.

LLAASSEERR

Para entendermos o funcionamento de um laser, vamos tomar um laser a gs (HeNe) de

maneira didtica onde os nmeros usados so ilusrios para maior visualizao dosfenmenos.Um tomo composto de um ncleo e de eltrons que permanecem girando em torno domesmo em rbitas bem definidas.

Quanto mais afastado do ncleo gira o eltron, menor a sua energia.Quando um eltron ganha energia ele muda de sua rbita para uma rbita mais interna,

sendo este um estado no natural para o tomo mas sim forado.Como esse estado no natural, o tomo por qualquer distrbio tende a voltar a seu estado

natural, liberando a energia recebida em forma de ondas eletromagnticas de comprimento deonda definido em funo das rbitas do tomo.


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Existem duas condies bsicas para que o fenmeno laser acontea:

Inverso de populao Alta concentrao de luz

A inverso de populao o estado em que uma grande quantidade de tomos fica comeltrons carregados de energia, girando em rbitas maior internas. como se o tomo fosseengatilhado para o disparo de ondas eletromagnticas (os ftons). Esse estado conseguidoatravs de altas tenses de polarizao fornecidas ao laser (200 300V).

A alta concentrao de luz a perturbao necessria para que o tomo dispare, ou seja,

volte a sua condio natural, liberando, portanto, a energia armazenada em forma de ondaseletromagnticas. Se tivermos uma quantidade de tomos suficientes engatilhados e se aconcentrao de luz for suficiente teremos um efeito multiplicativo onde o fton gerado geraoutros ftons, obtendo-se assim o fenmeno laser (emisso de radiao estimuladaamplificada pela luz).

As caractersticas tpicas de um laser so:

Luz coerente Altas potncias monocromaticidade Diagrama de irradiao concentrado Altas tenses de polarizao Fluxo de luz no proporcional corrente Vida til baixa (10000 horas) Sensvel a variaes de temperatura Alto custo Prprio para sinais digitais Altas velocidades, ou seja, grande banda de passagem (1 Ghz ou mais)


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Os lasers usados em sistemas pticos so feitos de materiais semicondutores, os quais

geram comprimentos de onda apropriados para transmisso (janelas de baixa atenuao). Acavidade onde ocorre o fenmeno laser obtida atravs da diferena entre os ndices derefrao das vrias camadas, da diferena de intensidade de campo eltrico e dos espelhos(face polida) do cristal semicondutor.

Existem dois tipos de lasers quanto ao tipo de fabricao:


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- Lasers cujo guia de onda (cavidade ressonante) induzida por corrente, chamados lasersGLD (gainguide laser diode).

- Lasers cujo guia de onda incorporado pela variao de ndice de refrao, chamados lasersILD (index guide laser diode).

As suas principais diferenas so:

a) Corrente de acionamento

GLD: 50 120 mAILD: 10 60 mA

b) Astigmatismo

GLD: forteILD: muito fraco

c) Sensibilidade

GLD: baixaILD: alta

d) Tcnica de fabricao

GLD: simplesILD: complexa

Os lasers so geralmente montados em mdulos que tem a funo bsica de garantir umperfeito funcionamento e alinhamento em condies de operao, pois so componenteshermticos ou selados.

Severino Pereira da SilvaSupervisor de Gerencia de SDH Alcatel

CO & M Florianpolis SCAlcatel Telecomunicaes S.A

[email protected](048) 9973 - 2254
mailto:[email protected]:[email protected]

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