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Fibras ópticas na prática (TEL014)

Em dois artigos anteriores (Referência a artigos publicados na revista) analisamos o princípio de funcionamento das fibras ópticas e seu processo de fabricação, com destaque para o comportamento que permite sua utilização nas telecomunicações. No entanto, na prática as coisas nem sempre ocorrem como na teoria, e a utilização das fibras envolve o conhecimento das soluções para alguns problemas críticos assim como o desenvolvimento de circuitos especiais. Neste artigo, o terceiro de uma série, falaremos dos problemas de emendas e acoplamentos das fibras com os dispositivos semicondutores que geram e recebem os sinais ópticos, assim como de alguns circuitos práticos que fazem o interfaceamento das fibras ópticas com equipamentos de comunicação.

 

 

Evidentemente, as fibras ópticas não são emendadas da mesma forma como fazemos com fios de metal comuns.

Para fazer uma junção ou uma terminação com fios metálicos é relativamente simples, pois podemos fazer uso de conectores ou de solda e até mesmo simplesmente prender firmemente um fio noutro com algum recurso mecânico mais acessível. Torcer dois fios juntos e isolá-los com fita isolante é um exemplo da facilidade com que isso pode ser feito.

No entanto, quando temos de transferir o sinal no final de uma fibra óptica para outra fibra ou ainda para um sensor, as coisas não são assim tão simples.

 

EMENDANDO FIBRAS ÓPTICAS

Para que possamos emendar fibras ópticas, garantindo que o sinal passe de uma para outra com um mínimo de perdas e sem problemas, as superfícies, no local de contato devem ser perfeitamente paralelas, conforme mostra a figura 1.

Mas, mesmo com este cuidado extremo, existem ainda alguns problemas que devem ser considerados e um deles é a chamada "Perda de Fresnel".

O que ocorre é que, mesmo numa terminal perfeitamente plana de uma fibra óptica, ocorre ainda uma pequena reflexão da luz incidente, da ordem de 4% aproximadamente.

Assim, numa emenda feita conforme mostra a figura 2, temos a considerar a passagem da luz entre dois meios duas vezes, o que implica numa perda total que pode chegar a 8%. Em termos de sinal isso significa uma perda de algo em torno de 0,35 dB, que deve ser considerada em qualquer projeto de longo alcance ou ainda que envolva níveis muito baixos de sinal.

 

Estas perdas serão tanto maiores quanto maior for a diferença entre o índice de refração do material da fibra e o índice de refração do ar, que é o meio que existe entre as junções.

Para reduzir esta diferença de índices e portanto as perdas, um "casador de índices de refração" pode ser usado.

Este "casador" consiste num líquido que tenha aproximadamente o mesmo índice de refração do material usado nas fibras, conforme mostra a figura 3.

 

Este mesmo líquido pode ser o adesivo "óptico" que manterá as fibras unidas, proporcionando assim uma emenda sem problemas de perdas para o sinal transmitido.

Uma outra maneira de se fazer emendas em fibras ópticas é mostrada na figura 4.

 

Esta é uma junção "a quente" em que se utiliza um arco que produz calor de modo que a junção só pode ser feita com a ajuda de uma máquina e sob pressão. Veja que é importante que neste tipo de junção as fibras a serem unidas sejam exatamente do mesmo tipo e que os pontos de contato sejam superfícies perfeitamente planas e paralelas.

Finalmente temos na figura 5 uma emenda por pressão em que duas fibras ópticas com terminações perfeitamente planas e paralelas são colocadas em contato sob pressão e assim mantidas por meio de um tubinho de metal ou plástico.

 

 

TERMINAÇÕES

Uma fibra óptica é muito frágil, principalmente numa extremidade desprotegida, o que exige cuidados especiais para sua conexão aos elementos diversos de interfaceamento com os circuitos eletrônicos ou mesmo outras fibras e dispositivos ópticos diversos (prismas, filtros, etc.).

Uma terminação de fibra óptica não só tem por finalidade fornecer uma proteção mecânica como também proporcionar um meio seguro para a transferência dos sinais, mantendo-a em posição correta em relação aos outros dispositivos de acoplamento evitando-se perdas e outros problemas mais graves.

Na figura 6 temos uma terminação óptica simples em que existe uma "janela" para a saída de luz e que pode ser facilmente fixada em diversos tipos de dispositivos.

 

Veja que esta terminação não possui qualquer recurso óptico, ou seja, a luz transmitida pela fibra aparece em um ponto de saída, com as mesmas características da transmissão, ou seja, como uma fonte praticamente pontual, já que a espessura da fibra é muito pequena.

Terminações com recursos ópticos de diversos tipos também podem ser encontradas em aplicações eletrônicas, conforme damos como exemplo na figura 7.

 

Assim, temos nesta figura uma terminação com um sistema para expandir o feixe de luz de modo a permitir o acoplamento mais fácil num dispositivo que tenha uma grande superfície sensora em relação às dimensões da fibra como, por exemplo, um foto-diodo de grande superfície ou outro elemento sensor.

Veja que a lente deve ser posicionada de tal forma que a terminação da fibra óptica fique exatamente em seu foco. Desta forma é possível obter um feixe paralelo (colimado).

Diversas são as vantagens que decorrem do uso de uma terminação com uma lente. Uma delas é a possibilidade de se obter um melhor acoplamento a sensores eletrônicos cujas superfícies sensíveis são muito maiores do que a superfície de terminação da fibra óptica.

Outra vantagem está no fato de que numa superfície maior, a presença de pequena partículas de sujeira tem um efeito muito menor sobre o sinal (com menor atenuação) e é mais facilmente limpa.

Um outro recurso óptico utilizado em terminações é o acoplamento de fibras mostrado na figura 8 e que é muito encontrado nos sistemas de transmissão.

O que temos neste caso é um multi-acoplador que permite aplicar o sinal de uma única fonte ao mesmo tempo em diversas fibras ópticas. Este sistema faz uso de um espelho parabólico que distribui o sinal de maneira controlada para um feixe de fibras.

Recursos especiais podem tornar este sistema seletivo, de modo a se pode comutar a aplicação do sinal entre diversas fibras.

 

 

RECEPTORES E TRANSMISSORES

Para converter um sinal elétrico em um sinal luminoso precisamos de dispositivos que tenham boa velocidade de resposta, uma característica de frequência (cor) que possa ser transmitida com facilidade pelas fibras ópticas, além de recursos que facilitem seu acoplamento.

A primeira fonte de sinal que apresenta estas características e que, por seu baixo custo, é a mais usada é o diodo emissor de luz ou LED.

Além de uma resposta de frequência bastante boa, pois um LED pode ser modulado facilmente com sinais de até várias dezenas de megahertz sem problemas, ele consiste numa fonte de dimensões bastante reduzidas e portanto de acoplamento muito fácil a um sistema de fibras ópticas.

Na figura 9 temos uma maneira simples de se fazer um acoplamento "caseiro" de um LED a uma fibra óptica e que pode servir para experiências e mesmo algumas montagens simples usando os dois dispositivos.

 

A fibra é mantida em posição com a ajuda de uma gota de cola epóxi nesta disposição experimental.

O LED pode ser de qualquer tipo, mas os de cor vermelha ou infravermelhos são os que melhor se adaptam às características ópticas das fibras, conforme já vimos em artigo anterior quando falamos das frequências que são mais facilmente transmitidas.

Devemos ainda citar como vantagem importante para a utilização dos LEDs como fontes de sinal nos sistemas de fibras ópticas a possibilidade de trabalharmos numa frequência muito estreita de transmissão já que estes dispositivos são fontes monocromáticas.

Como extensão dos LEDs podemos citar como fontes de sinais para sistemas de fibras ópticas os diodos laser, que basicamente possuem uma estrutura semelhante à dos LEDs comuns mas com características adicionais que possibilitam a produção de um feixe de radiação colimado, monocromático e coerente de muito maior intensidade.

Na figura 10 temos um diodo laser comum que pode ser usado com fibras ópticas.

 

Os Lasers semicondutores também podem ser modulados com sinais de frequências relativamente elevadas.

Outras fontes de luz, como lâmpadas incandescentes, lasers à gás e de outros tipos que não sejam semicondutores, lâmpadas neon e de outros gases, podem ter grande intensidades, mas apresentam duas dificuldades básicas: velocidade de resposta e dimensões.

Uma lâmpada neon, por exemplo, não pode ser modulada por frequências de sinais que vão além de algumas poucas dezenas de quilohertz.

Da mesma forma, se bem que uma lâmpada fluorescente ou incandescente sejam muito potentes (várias dezenas ou centenas de watts) suas dimensões são tais que dificultam o acoplamento às fibras ópticas.

A modulação de fontes de luz intensas ou de resposta muito baixa para um sistema de fibras ópticas podem ser feita com a ajuda das denominadas "Células de Kerr".

Na figura 11 temos um exemplo mostrando como funciona um modulador de luz baseado em célula de Kerr.

 

Certos cristais apresentam a propriedade de girar o plano de polarização de um feixe de luz polarizada segundo a tensão que seja aplicada, por meio de eletrodos, em suas extremidades.

Assim, utilizando-se dois filtros polarizados em ângulos previamente planejados, e aplicando-se um sinal nas placas moduladoras o feixe de luz terá seu plano de polarização alterado, passando em maior ou menor quantidade pelo segundo filtro. Temos então uma variação da amplitude do sinal de saída que dependerá justamente da intensidade do sinal modulador. Este processo permite, portanto, obter um sinal óptico modulado em amplitude.

As células de Kerr são muito rápidas permitindo que sinais luminosos sejam modulados até em frequências de vídeo de diversos Megahertz.

Para os receptores temos diversas opções que dependem tanto da sensibilidade desejada como da velocidade de resposta.

Na figura 12 temos diversos tipos de sensores que podem ser utilizados em aplicações envolvendo fibras ópticas.

 

Em (a) temos um foto-transistor bipolar comum que se caracteriza pela sensibilidade e uma boa velocidade de resposta. Este componente pode trabalhar com sinais de alguns megahertz.

Com maior sensibilidade, porém menor velocidade, temos o foto-transistor Darlington, mostrado em (b) na mesma figura.

Em (c) temos um foto-diodo que, para os modelos especiais de grande superfície consegue-se, além de excelente sensibilidade, a maior velocidade de resposta com várias dezenas de megahertz, com facilidade,

Para aplicações que envolvam comutação temos em (d) um foto diac e em (e) um foto-SCR ou foto-diodo controlado de silício que opera como chave comutada por sinais ópticos com saída de alta potência.

Os LDRs (Foto-resistores) não são tão empregados em aplicações que envolvam fibras ópticas tanto pela sua grande superfície que dificulta o acoplamento como também pela sua baixa velocidade de resposta.

Para aplicações específicas com fibras ópticas estes componentes podem ser dotados de invólucros especiais que facilitam o acoplamento.

 

 

COMPONENTES PARA FIBRAS ÓPTICAS

A Motorola, por exemplo, possui uma família de componente com a sigla MFOD de foto-detectores especialmente projetados para operação com fibras ópticas.

Na figura 13 temos o MFOD71 que consiste num foto-detector com saída usando um foto-diodo, projetado para operar em sistemas com fibras ópticas de curta distâncias para 1 000 microns de plástico.

 

Na mesma figura temos a conexão deste dispositivo num circuito receptor com compatibilidade para lógica TTL. O tempo de resposta do sensor é de apenas 5 ns (tip).

Um detector que pode operar em frequências tão altas como 100 MHz é o MFOD1100 da Motorola que é mostrado na figura 14.

 

Projetado para ter maior sensibilidade na faixa dos infravermelhos, este foto-detector tem um invólucro padronizado para os conectores de fibras ópticas comuns.

Na figura 15 mostramos o MFOE71 da Motorola que é um elemento da família dos foto-emissores.

 

Este componente tem um pico de emissão em 8 500 Angstrons, que corresponde ao infravermelho próximo e vem um invólucro próprio para conexão com fibras ópticas comuns. Sua resposta de frequência alcança os 10 MHz com uma corrente contínua máxima de operação de 60 MA ou ainda pulsos de 1 A de intensidade máxima.

Para a operação em frequências até 100 MHz, a Motorola tem a família MFOE1201, 1202 e 1203 que são dotados de invólucros conforme o mostrado na figura 16.

 

A corrente máxima contínua destes dispositivos é de 100 mA e a luz emitida está na faixa do infravermelho com pico em 8 500 angstrons.

Na figura 17 temos um circuito para excitar este emissor com um sinal de até 100 MHz de frequência.

 

 

APLICAÇÕES PRÁTICAS

Naturalmente, a aplicação mais simples que nos vem em mente, utilizando fibras ópticas, é um sistema de comunicações em que temos um transmissor capaz de codificar a informação (voz, dados, imagem, etc.) e a converte em luz, para ser enviada pela fibra óptica até um receptor, conforme mostra a figura 18.

 

O receptor converte a luz em informação eletrônica (sinal) que então pode ser processado por circuitos especiais e novamente convertido para sua forma original (som, dados, imagem, etc.).

Evidentemente, dada a própria natureza do sistema, no caso da transmissão de informações, devemos levar em conta que a modalidade deve ser basicamente a "serial" ou seja, aquela em que os dados são enviados um após outro num único canal de luz modulada.

Isso ocorre normalmente para ocaso da transmissão de sons (modulação em amplitude ou frequência) ou para a transmissão de imagens, conforme sugere a figura 19.

 

No entanto, para a transmissão dados como a utilização da modalidade paralela (parallel) não é possível com um canal e uma única fibra, é preciso utilizar alguns artifícios como por exemplo codificações apropriados, códigos especiais e até a multiplexação.

Num sistema digital típico, o sistema de codificação utilizado é normalmente o NRZ ou "non-return to zero"(não retorno a zero). Neste sistema, uma sequência de níveis altos ou "uns" é codificada de forma contínua com o nível alto se mantendo conforme mostra a figura 20.

 

Somente quando temos uma passagem de um "um" para um "zero" ou vice-versa é que ocorre uma transição do sinal enviado.

Já, no sistema RTZ (return to zero) se formos transmitir uma sequência de níveis altos ou "uns" conforme mostra a figura 21, temos ao final de cada "um" o retorno do sinal ao nível zero.

Observe que neste segundo caso, para uma mesma informações a ser transmitida temos maior número de transições do nível zero para o um e vice-versa.

A consequência desta diferença é que num sistema em que temos o retorno a zero (RTZ) precisamos de uma largura de faixa duas vezes maior para uma transmissão de informações do que num sistema sem retorno a zero (NRZ). No entanto, se uma sequência muito longa de "uns" tiver de ser transmitida o sistema RTZ será mais apropriado para se evitar a perda de informações.

Para resolver o problema que ocorre nos dois casos existe um sistema denominado "Codificação Manchester" onde a polaridade do sinal se inverte no final de cada bit independentemente dele ser 0 ou 1.

Na figura 22 temos o que ocorre.

 

O mais importante nesta modalidade de transmissão é que mesmo que um bit falhe, seja ele 1 ou 0, o sistema tem a capacidade de se manter sincronizado não havendo assim uma descontinuidade ou perda de informação que se segue ao bit ou bits que falham.

Evidentemente, as técnica mais avanças de codificação usadas nos modems para a transmissão de dados via linha telefônicas também podem ser aplicadas às fibras ópticas com vantagens, multiplicando a velocidade de transmissão e confiabilidade.

Assim, essas técnicas, usando UARTS apropriadas, permitem que a taxa de transmissão de dados por meio de fibras ópticas seja muitas vezes maior que a frequência máxima dos sinais que elas podem conduzir por meio da modulação simples da luz que conduzem.

 

ALGUNS CIRCUITOS

Na figura 23 temos um circuito simples com amplificador operacional para a recepção de sinais contínuos ou modulados em frequências relativamente baixas (máximo de algumas dezenas de quilohertz) recebidos por meio de uma fibra óptica.

 

O foto-diodo deve ser escolhido de acordo com a velocidade de transmissão e a intensidade do sinal. Este circuito se destina à transmissão de dados ou sinais modulados em amplitude e frequência de baixas frequências como voz, etc.

Na figura 24 temos um conversor A/D que pode ser usado num link de dados de baixa e média velocidade.

 

O que este circuito faz é converter os sinais captados por um transdutor resistivo em pulsos de frequência correspondente e que podem ser transmitidos por meio de uma fibra óptica.

Finalmente, na figura 25 temos um circuito que possibilita o acionamento de um relé a partir de sinais enviados por meio de fibras ópticas.

 

Este sistema pode ser usado em robótica e outros sistemas de controle, principalmente em locais que tenham elevados níveis de interferência impedindo assim a utilização de condutores metálicos comuns.

 

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