Recommendations for Further Research

As perdas na fibra representam um fator limitante para comunica¸c˜oes ´opticas pois elas reduzem a potˆencia do sinal que chega no receptor. Como os receptores ´opticos necessitam de um n´ıvel de potˆencia m´ınimo para recuperar o sinal transmitido de forma precisa, o alcance de transmiss˜ao ´e inerentemente limitado pelas perdas. De fato, o uso de fibras de s´ılica s´o foi poss´ıvel quando as perdas na fibra foram reduzidas a um valor aceit´avel por volta da d´ecada de 1970 [42].

Sob condi¸c˜oes normais, varia¸c˜oes da potˆencia ´optica P de um sinal se propagando por uma fibra ´optica s˜ao regidas pela lei de Beer [42]:

dP

dz = −αP, (2.2)

em que α ´e o coeficiente de atenua¸c˜ao. Esse coeficiente n˜ao inclui apenas absor¸c˜oes do material, mas tamb´em outras fontes de atenua¸c˜ao de potˆencia. Se Pin denota a

potˆencia lan¸cada em uma fibra de comprimento L, a potˆencia Pout na sa´ıda da fibra ´e

dada por:

Pout = Pinexp(−αL). (2.3)

´

E comum expressar α em dB/km utilizando a rela¸c˜ao

α(dB/km) = −10 Llog10 ( Pout Pin ) ≈ 4, 343α, (2.4)

e se referir a ele como o parˆametro de perdas da fibra.

As perdas na fibra dependem do comprimento de onda de opera¸c˜ao. Em 1550 nm, a Referˆencia [42] mostra que o parˆametro de perdas de uma fibra de diˆametro de 9,4

eles, podemos destacar como importantes a absor¸c˜ao do material e o espalhamento Rayleigh.

2.7.1 Absor¸c˜ao do material

A absor¸c˜ao do material pode ser causada tanto pelo pr´oprio material da fibra (que geralmente ´e a s´ılica) como pelas impurezas contidas nesse material. Segundo a Re- ferˆencia [42], qualquer material absorve em certos comprimentos de onda, o que acon- tece por causa das ressonˆancias vibracionais e eletrˆonicas associadas com mol´eculas espec´ıficas. Ainda, a absor¸c˜ao intr´ınseca (que ´e a causada pela pr´opria s´ılica) ´e m´ınima no intervalo de comprimento de onda de 0,8 µm a 1,6 µm, sendo nessa regi˜ao me- nor que 0,1 dB/km. Por esse motivo, se torna interessante transmitir nesse intervalo, aproveitando a baixa atenua¸c˜ao.

Por outro lado, a absor¸c˜ao extr´ınseca, que resulta da presen¸ca de impurezas, absorve fortemente no intervalo de 0,6-1,6 µm [42]. Para obter um n´ıvel de perda menor que 1 dB/km, ´e necess´ario reduzir a quantidade de impurezas a menos que 1 parte por bilh˜ao. T´ecnicas modernas podem proporcionar tal pureza. Uma das principais fontes de absor¸c˜ao extr´ınsica ´e a presen¸ca de vapor de ´agua. Os picos de perdas nos comprimentos de onda de 1,39 e 1,24 µm s˜ao causados por esse tipo de impureza. Isso motivou o desenvolvimento de outro tipo de fibra, a chamada de fibra seca (dry fiber ). Nessa fibra, reduz-se drasticamente a concentra¸c˜ao do ´ıon OH, eliminando esses picos do perfil de perdas.

2.7.2 Espalhamento Rayleigh

O espalhamento Rayleigh ´e um fenˆomeno bastante relevante que causa atenua¸c˜ao nos sinais transmitidos em fibras ´opticas. Isso ocorre devido `as diferen¸cas de densidade da s´ılica ao longo da fibra, o que na pr´atica causa uma flutua¸c˜ao do valor do ´ındice de refra¸c˜ao. Desse modo, uma parcela dos raios infravermelhos guiados ´e espalhada pela casca, o que causa perdas no sinal. De acordo com a Referˆencia [42], as perdas causadas pelo espalhamento Rayleigh s˜ao dadas por

αR=

C

λ4, (2.5)

sendo que a constante C tem valor entre 0,7-0,9 (dB/km)µm4

, dependendo da cons- titui¸c˜ao do n´ucleo. Isso corresponde a αR = 0,12-0,16 dB/km para o comprimento

de onda de 1550 nm, indicando que nesse caso as perdas na fibra s˜ao dominadas pelo espalhamento Rayleigh.

se a transmiss˜ao ocorrer em comprimentos de onda acima de 3 µm. Contudo, para comprimentos de onda acima de 1,7 µm, o fenˆomeno de absor¸c˜ao de infravermelho torna invi´avel a transmiss˜ao, visto que a atenua¸c˜ao causada por esse outro fenˆomeno se torna excessiva.

2.7.3 Imperfei¸c˜oes no guia de onda

As fibras ´opticas produzidas na pr´atica n˜ao s˜ao perfeitamente cil´ındricas – o que causa “vazamentos” de energia para a casca. As imperfei¸c˜oes na fabrica¸c˜ao, como varia¸c˜oes na circunferˆencia da fibra e imperfei¸c˜oes na transi¸c˜ao entre n´ucleo e casca, causam perdas no sinal em adi¸c˜ao aos j´a citados fenˆomenos de absor¸c˜ao e espalhamento Rayleigh. Isso ocorre quando as imperfei¸c˜oes est˜ao presentes em uma escala maior que o comprimento de onda. Assim, ´e necess´ario certo controle no processo de manufatura para tornar a fibra o mais homogˆenea poss´ıvel para manter as varia¸c˜oes abaixo de 1%, o que, segundo a Referˆencia [42], resulta em perdas tipicamente menores que 0,03 dB/km.

As curvaturas na fibra constituem outra fonte de perdas e podem ser de dois ti- pos: macrocurvaturas e microcurvaturas. O fenˆomeno de macrocurvaturas pode ser explicado pelo modelo de raios. Normalmente, um raio guiado incide na interface entre n´ucleo e casca a um ˆangulo maior que o ˆangulo cr´ıtico, o que faz com que o raio seja totalmente refletido de volta para o n´ucleo. Contudo, o ˆangulo de incidˆencia pode diminuir quando o raio incide sobre uma curvatura, podendo em pior caso ser menor que o ˆangulo cr´ıtico. Isso faz com que o raio passe para a casca, fazendo com que a energia seja perdida. A perda por curvatura ´e proporcional a exp(−Rc/Rk) [42], em

que Rc ´e o raio de curvatura da fibra e Rk = ρ/(n21− n 2

2), sendo ρ o raio do n´ucleo.

J´a o fenˆomeno de microcurvaturas acontece quando, no processo de fabrica¸c˜ao da fibra, esta ´e pressionada contra uma superf´ıcie que n˜ao ´e perfeitamente lisa. As perdas podem chegar a 100 dB/km caso nenhuma medida de precau¸c˜ao seja considerada.

Muitas outras fontes de perdas s˜ao encontradas nas fibras ´opticas. Particularmente, as perdas devido a emendas e conectores devem ser levadas em conta no planejamento do balan¸co de potˆencia do sistema.