Conceitos Básicos de Fibra Óptica (Módulo II)

Conceitos Básicos de Fibra Óptica (Módulo II)
Este tutorial apresenta conceitos básicos sobre Refração e Confinamento da luz. É o segundo de uma série
preparada pelo autor contendo conceitos básicos de fibra óptica.
(Versão revista do tutorial original publicado em 10/03/2003).
Luiz Felipe de Camargo Fernandes
Engenheiro Eletrônico (FEI 73), Mestre em Telecomunicações (FEI 86), atuando há mais de 20 anos
somente em Telecomunicações, com enfoque em Sistemas Ópticos, Redes tipo LAN, Acesso, MAN, WAN
e, Proteção.
Fez cursos na Alemanha, USA, Japão, Espanha, Inglaterra.
É Especialista em Sistemas Ópticos, com várias publicações, tendo participando também como Chairman e
Palestrante de Seminários promovidos pelo IBC, Sala 21 de São Paulo, IIR, TELEXPO, entre outros.
Elaborou todas as especificações e realizou testes completos em equipamentos DWDM, no Brasil,
Argentina, Suécia, França, Alemanha e Áustria.
Foi Gerente na ERICSSON e na TELESP/TELEFONICA, tendo atuado em projetos como a Rede de Aceso
Rápido à Internet (Speedy), Rede ATM, Rede L.D., Redes Ópticas e ASON.
Em 2001 deixou a TELEFONICA, para fundar a TELECOMM CONSULTING S/C LTDA.
Integrou a equipe do Teleco para contribuir na área de Sistemas de Telecomunicações Fotônicos.
Email: [email protected]
Categoria: Redes Ópticas
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 14/09/2009
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Fibra Óptica II: Índices de Refração
As letras n1 e n2 na figura ao lado denotam os chamados Índices de Refração, que variam conforme os
diferentes meios.
Figura 1: Índices de Refração
Portanto define-se como sendo o Índice de Refração (n), a relação entre a Velocidade de Propagação da Luz
no Vácuo (Cvac) e, a Velocidade de Propagação da Luz em um determinado material (Cmat ), segundo a
equação abaixo:
Velocidade de Propagação da Luz no Vácuo
Índice de refração =
Velocidade de Propagação da Luz no material
ou
Cvac
n=
Cmat
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A tabela a seguir nos fornece os Índices de Refração de alguns materiais.
Meio
Índice de Refração n
Vácuo (exato)
1,00000
Ar (CNTP)
1,00029
Água (20 C)
1,33
"Núcleo" da Fibra Óptica
1,48
"Casca" da Fibra Óptica
1,465
Vidro Comum
1,52
Cristal
1,65
Safira
1,77
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Fibra Óptica II: Refração e Lei de Snell
Refração da Luz
Para entendermos de uma forma simples, o que vem a ser, o fenômeno da Refração da Luz, vamos
considerar, um copo, parcialmente cheio de água, no qual iremos colocar um canudinho.
Figura 2: Refração da Luz
Como pode ser observado, a parte deste canudinho que está imersa na água, aparece distorcida, ou dobrada,
como podemos ver na Figura.
Na realidade o que acontece é que estamos vendo uma distorção, devido a Luz sofrer uma pequena redução
na sua Velocidade de Propagação na água em comparação a Velocidade de Propagação no ar.
Em outras palavras as Velocidades de Propagação da Luz nestes dois meios (ar e água) são desiguais, pois
tem Índices de Refração diferentes.
Lei de Snell
Em 1621, um Físico Holandês, chamado Willebrord Snell (1591-1626), equacionou a relação entre os
diferentes ângulos em que a Luz passa de um meio transparente a outro.
Figura 3: Lei de Snell para refração da Luz
Quando um Raio de Luz passa de um meio transparente para outro, como ilustra a figura 3, este sofre um
deslocamento dado pela equação abaixo:
n1 * sen θi = n2 * sen θR
onde:
n1 é o Índice de Refração do primeiro meio, aquele que o feixe de luz se propaga;
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n2 é o Índice de Refração do segundo meio, aquele que o feixe de luz vai adentrar;
θi é o chamado Ângulo de Incidência;
θR é o chamado Ângulo de Refração.
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Fibra Óptica II: Ângulo Crítico e Confinamento da Luz
Ângulo Crítico
Conforme podemos ver na figura 1, existe o chamado Ângulo Crítico θx, onde um Raio de Luz que incide
sobre uma superfície nesse Ângulo, sofre um desvio, fazendo um Ângulo de 90° em relação a Normal e,
portanto, não penetrando no outro meio.
Figura 4: Ângulo Crítico θx
Confinamento da Luz
Vamos voltar ao nosso exemplo prático, descrito anteriormente, onde temos um copo, parcialmente cheio de
água, porém, sem o canudinho.
Consideremos a incidência de um Raio de Luz l1 do lado de fora desse copo, como mostra a figura 5,
abaixo.
Figura 5: Refração da Luz
Dependendo do ângulo de incidência, bem como dos coeficientes de Reflexão, este Raio de Luz poderá
fazer uma Reflexão na superfície da água, que se comportaria como se fosse um espelho, refletindo um Raio
de Luz l2.
Vamos em seguida supor que, ao invés de um copo de água, tivéssemos uma superfície de vidro, em que as
partes superior e também inferior fossem espelhadas, conforme mostra a a figura 6, abaixo.
Figura 6: Confinamento da Luz
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Como podemos ver, o Raio de Luz entrante irá sofrer uma primeira reflexão, segundo um determinado
ângulo, a seguir irá refletir novamente e assim sucessivamente.
Desta forma conseguimos confinar este raio de luz. fazendo com que este se propague ao longo do vidro.
Figura 7: Confinamento da Luz
Abertura Numérica
Define-se como Abertura Numérica (AN) o ângulo formado entre um eixo imaginário E, localizado no
centro de uma Fibra Óptica, e um raio de luz incidente, de tal forma que este consiga sofrer a primeira
reflexão, necessária para a luz se propagar ao longo da Fibra, conforme a figura 7, abaixo.
A Abertura Numérica (AN) pode ser calculada pela fórmula:
AN = sen θ
ou
AN = Raiz Quadrada (n12 - n22)
Note-se que os raios de Luz incidentes que não apresentam ângulos que satisfaçam a equação acima, não
conseguirão sofrer as reflexões necessárias para a propagação ao longo da Fibra Óptica.
A figura 8s mostra que os raios de luz incidentes 1 e 2 não conseguem se propagar ao longo da Fibra, por não
estarem dentro de uma figura geométrica, na forma de um cone, chamado de Cone de Aceitação referente a
Abertura Numérica (AN).
Figura 8: Propação através do Cone de Aceitação
De maneira simplificada, podemos dizer que a Abertura Numérica de uma Fibra Óptica, traduz a capacidade
desta Fibra em captar Luz.
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Fibra Óptica II: Ângulo Crítico e Cone de Aceitação
Ângulo Crítico em uma Fibra Óptica
O Ângulo Crítico de Incidência, ou de Entrada em uma Fibra Óptica, chamado também por alguns autores
de Ângulo Limite, é mostrado na figura 9, onde vemos que acima do valor deste Ângulo a Luz não se
propagará pela Fibra Óptica. O Raio de Luz que é Refratado se propagará paralelamente a interface entre os
dois meios, ou seja , entre o Núcleo e a Casca da Fibra Óptica.
Figura 9: Ângulo Crítico Incidência
Cone de Aceitação
Figura 10: Cone de Aceitação
A figura 10 ilustra o chamado Cone de Aceitação de uma Fibra Óptica. Dentro deste Cone, todos os Raios
de Luz terão condições de se propagar pela Fibra Óptica.
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Fibra Óptica II: Teste seu Entendimento
1. Assinale a alternativa correta.
A Abertura Numérica não é dependente do Índice de Refração dos meios.
Ângulo Crítico e Ângulo Limite são a mesma coisa.
Raios de Luz que adentram em uma Fibra, podem ter qualquer Ângulo de entrada.
2. Assinale a alternativa correta.
Vários Comprimentos de Onda se propagam em uma Fibra Multimodo.
Vários Comprimentos de Onda se propagam em uma Fibra Monomodo.
Pelo menos Três Comprimentos de Onda, se propagam normalmente em uma Fibra Monomodo.
3. Pela Lei de Snell:
O Seno tetaI = Seno tetaR , se os índices de refração dos dois meios, forem iguais.
Os Índices de Refração de dois meios nunca são iguais.
Aplica-se somente aos meios Opacos e Translúcidos.
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