O Princípio Orientador da Fibra Óptica

A luz é uma onda eletromagnética com frequência extremamente alta efibra ópticaem si é um guia de ondas dielétrico; portanto, a teoria da propagação da luz em fibras ópticas é extremamente complexa. Uma compreensão abrangente requer conhecimento da teoria do campo eletromagnético, da teoria da óptica das ondas e até mesmo da teoria quântica de campos.

Para facilitar a compreensão, este livro discute o-princípio de orientação da luz das fibras ópticas a partir da perspectiva da óptica geométrica, que é mais intuitiva, visual e mais fácil de compreender. Além disso, para fibras ópticas multimodo, uma vez que as suas dimensões geométricas são muito maiores que o comprimento de onda da luz, a onda de luz pode ser tratada como um único raio, que é o ponto de partida fundamental para a óptica geométrica.

Princípio de reflexão interna total

"Quando a luz se propaga em um meio uniforme, ela viaja em linha reta, mas quando atinge a interface entre dois meios diferentes, ocorrem fenômenos de reflexão e refração. A reflexão e a refração da luz são mostradas na Figura 2-4.

De acordo com a lei da reflexão, o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência; de acordo com a lei da refração, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. Onde n₁ é o índice de refração do núcleo da fibra; n₂ é o índice de refração do revestimento.

Obviamente, se n₁ > n₂, então θ₂ > θ₁. Se a proporção de n₁ para n₂ aumentar até certo ponto, o ângulo de refração θ₂ maior ou igual a 90 graus, e a luz refratada não entrará mais no revestimento, mas será refratada ao longo da interface entre o núcleo da fibra e o revestimento (quando θ₂=90 grau), ou retornará ao núcleo da fibra para propagação (quando θ₂ > 90 graus). Este fenômeno é denominado reflexão interna total da luz. Conforme mostrado na Figura 2-5."

O ângulo de incidência correspondente a um ângulo de refração θ₂=90 grau é chamado de ângulo crítico (θ₀), que pode ser facilmente obtido.

É fácil entender que quando ocorre reflexão interna total em uma fibra óptica, já que quase toda a luz se propaga dentro do núcleo da fibra e nenhuma luz escapa para o revestimento, a atenuação da fibra é bastante reduzida. As fibras ópticas de índice-de etapa inicial foram projetadas com base nesse conceito.

Propagação de luz em fibra óptica de índice-degrau

(1) Propagação de Raios de Luz em Fibras Ópticas Para facilitar a compreensão, usaremos primeiro a teoria do método dos raios para fornecer uma descrição simples da propagação de ondas de luz em fibras ópticas. Quando um feixe de luz é acoplado à fibra óptica a partir da face final, pode haver diferentes formas de raios de luz na fibra: raios meridionais e raios oblíquos. A Figura 2-6a mostra um raio que sempre se propaga em um plano contendo o eixo central 00' da fibra óptica e cruza o eixo central duas vezes em um ciclo de propagação. Esse tipo de raio é denominado raio meridional, e o plano que contém o eixo central da fibra óptica é denominado plano meridional. A Figura 2-6a mostra um plano meridional MN. Outro tipo é onde a trajetória do raio de luz durante a propagação não está no mesmo plano e não intercepta o eixo central da fibra óptica. Este tipo de raio é chamado de raio oblíquo, conforme mostrado na Figura 2-6b. A análise de raios oblíquos é bastante complicada mesmo usando a teoria do método dos raios. Isto ocorre porque a propagação dos raios oblíquos não ocorre num plano como o dos raios meridionais, mas sim num padrão espiral dentro de um espaço tridimensional, como mostrado na Figura 2-6b. A análise requer o uso de coordenadas tridimensionais, o que é um tanto abstrato, mas seu princípio básico de orientação da luz é o mesmo do método dos meridianos, portanto, uma análise detalhada não é fornecida.

(2) Propagação do meridiano em fibra de índice-degrau A propagação do meridiano em uma fibra de índice-degrau é mostrada na Figura 2-7. Uma fibra de índice degrau consiste em um núcleo com índice de refração de n₂e um revestimento com índice de refração de n₁, onde n₁e n₂são constantes e n₁> n₂.

"Quando a luz O entra do ar (n_₀= 1) na superfície final da fibra óptica no ângulo φ₁, uma parte da luz entrará na fibra óptica. Neste momento, de acordo com a lei de Snell n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, e uma vez que o índice de refração do núcleo da fibra n_₁>n_₀(índice de refração do ar), o ângulo de refração θ₁ < φ₁, e a luz continua a se propagar, incidente no ângulo θᵢ=90 grau - θ₁ na interface entre o núcleo da fibra e o revestimento. Se θᵢ for menor que o ângulo crítico θc=arcsin(n₂/n₁) no núcleo da fibra e na interface do revestimento, então parte da luz será refratada no revestimento e perdida, enquanto outra parte reflete de volta no núcleo da fibra. Desta forma, após diversas reflexões e refrações, este raio de luz será rapidamente atenuado. Se φ₁ diminui para φ₀ (como no raio de luz ②), então θᵢ também diminui, enquanto θᵢ=90 grau - θ₁ aumenta. Se φ₁ aumentar para exceder o ângulo crítico θc, então este raio de luz sofrerá reflexão interna total no núcleo da fibra e na interface do revestimento, com toda a energia refletida de volta para o núcleo da fibra. Quando ele continua a se propagar e encontra novamente o núcleo da fibra e a interface de revestimento, a reflexão interna total ocorre novamente. Repetindo esse processo, a luz pode ser transmitida de uma extremidade ao longo de um caminho em zigue-zague até a outra extremidade.

Vamos analisar quão pequeno φ₁ deve ser para transmitir luz de uma extremidade à outra da fibra óptica.

Assumindo φ₁=φ₀, então θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, temos: n₀sinφ₀=sinφ₀=n₁sinθ₀=n₁sin(90 graus - θc)=n₁cosθc

Assim, temos: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=n₁√(2Δ)=√(n₁² - n₂²)

Na equação, Δ é a diferença relativa do índice de refração da fibra óptica, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.

A partir disso, pode-se observar que, desde que o ângulo de incidência φ₁ seja menor ou igual a φ₀ na superfície final da fibra óptica, a luz pode ser transmitida através da reflexão interna total no núcleo da fibra. φ₀ é chamado de ângulo de incidência máximo da superfície final da fibra óptica, e 2φ₀ é o ângulo máximo de aceitação da fibra óptica para luz."

(Figura 2-7 Propagação de meridianos em uma fibra óptica de índice degrau)

"(3) Abertura Numérica: Como a diferença entre n₁ e n₂ é pequena, o seno do ângulo de incidência máximo na superfície da extremidade da fibra óptica quando a reflexão interna total ocorre na fibra óptica é senφ₀ ≈ φ₀, que é chamada de abertura numérica da fibra óptica, geralmente denotada como NA (Abertura Numérica), ou seja:

NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)

Esta equação expressa a capacidade-de captação de luz da fibra óptica. Quaisquer raios de luz incidentes com um ângulo de incidência menor que φ₀ podem satisfazer a condição de reflexão interna total e serão confinados dentro do núcleo da fibra para se propagarem ao longo da direção axial. Pode-se observar que a abertura numérica da fibra óptica é diretamente proporcional à raiz quadrada da diferença relativa do índice de refração. Em outras palavras, quanto maior a diferença do índice de refração entre o núcleo da fibra e o revestimento, maior será a abertura numérica da fibra óptica e mais forte será sua capacidade de captação de luz-.

Propagação de luz em fibra óptica-cor graduada

O índice de refração do núcleo de uma fibra de índice-graduado não é constante; diminui gradualmente com o aumento do raio da fibra até igualar o índice de refração do revestimento, conforme mostrado na Figura 2-8. Para analisar a propagação da luz em uma fibra de índice graduado, pode-se usar um método semelhante à "definição integral" em matemática. Primeiro, o núcleo da fibra é dividido em numerosas camadas cilíndricas finas e concêntricas. Cada camada é muito fina e seu índice de refração é aproximadamente constante dentro de cada camada. Há uma pequena diferença no índice de refração entre camadas adjacentes.

O plano meridional e as camadas de fibra óptica de índice-graduado são mostrados na Figura 2-8. Os índices de refração de cada camada satisfazem a seguinte relação: n(r_O) > n(r₁)>n(r₂)>n(r₄)>…>n(r),Quando um raio de luz incide na face final de uma fibra óptica em um ângulo médio, sua propagação em uma fibra óptica multicamadas com índices de refração variados é mostrada na Figura 2-8. Quando o raio atinge a interface entre as camadas 1 e 2 em um ângulo de incidência θ, como o raio está viajando de um meio mais denso para um meio menos denso, seu ângulo de refração θ será maior que θ. Conforme mostrado na figura, este raio será então refratado na interface entre as camadas 2 e 3 com um novo ângulo de incidência de θ, e assim por diante. Como a luz sempre se propaga de um meio mais denso para um meio menos denso, seu ângulo de incidência aumenta gradativamente, ou seja, θ<><><><θ5", until="" at="" a="" certain="" interface="" (interface="" u="" in="" the="" diagram),="" the="" angle="" of="" incidence="" exceeds="" the="" critical="" angle,="" at="" which="" point="" total="" internal="" reflection="" occurs.="" afterward,="" the="" light="" travels="" along="" a="" perfectly="" symmetrical="" trajectory,="" layer="" by="" layer,="" from="" less="" dense="" to="" denser,="" towards="" the="" central="" axis.="" at="" this="" point,="" the="" angle="" of="" incidence="" decreases="" as="" the="" light="" propagates="" towards="" the="" center="" due="" to="" the="" increasing="" refractive="" index="" of="" each="" layer,="" and="" the="" light="" crosses="" the="" central="" axis.="" since="" the="" refractive="" index="" distribution="" below="" the="" central="" axis="" is="" exactly="" the="" same="" as="" above,="" after="" passing="" the="" central="" axis,="" the="" light="" is="" essentially="" propagating="" from="" a="" denser="" medium="" to="" a="" less="" dense="" medium="" again,="" and="" its="" angle="" of="" incidence="" gradually="" increases,="" subsequently="" undergoing="" total="" internal="" reflection="" and="" returning="" to="" the="" central="" axis.="" then,="" it="" again="" enters="" the="" interface="" of="" layers="" 1="" and="" 2="" at="" an="" angle="" θ,="" and="" the="" cycle="" repeats.="" in="" this="" way,="" light="" can="" be="" transmitted="" from="" one="" end="" to="" the="">

(Figura 2-8 plano meridiano e camadas de fibra óptica de proporção graduada)