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CARACTERIZAÇÃO DE BIRREFRINGÊNCIA EM FIBRAS ÓPTICAS
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Mafalda Azeredo Pinheiro
1 Universidade Presbiteriana Mackenzie CARACTERIZAÇÃO DE BIRREFRINGÊNCIA EM FIBRAS ÓPTICAS Felipe Cavalcante da Silva (IC) e Christiano J. S. de Matos (Orientador) Apoio: PIVIC Mackenzie Resumo Essa pesquisa tem por finalidade caracterizar a birrefringência de fibras ópticas, bem como desenvolver um método sistemático de caracterização deste parâmetro em fibras ópticas microestruturadas e convencionais, com a ajuda do OFDR (Optical Frequency-Domain Reflectometer). Esse aparelho possui um laser sintonizável em frequência o qual acoplamos na fibra a ser estudada e analisamos os dados fornecidos através de software especializado, obtidos a partir de retro-espalhamento do laser na fibra. Dessa forma podemos determinar características físicas do condutor óptico como birrefringência e perda distribuída, sendo que essa segunda foge ao escopo desse trabalho. Neste artigo, primeiramente é feita uma revisão que aborda a propagação de luz em meios com diferentes índices de refração, detalhando a lei de Snell e suas aplicações na propagação de luz em fibras ópticas; ainda nesse tópico é feito um estudo dos conceitos de birrefringência e comprimento de batimento, ilustrando e detalhando os fenômenos físicos envolvidos. Em seguida são detalhados os métodos experimentais utilizados na pesquisa. São analisados os dois principais sistemas de acoplamento de luz utilizados, ressaltando suas vantagens e desvantagens, bem como detalhes das montagens em laboratório. Finalmente são apresentados e discutidos os resultados obtidos com fibras ópticas de características conhecidas, detalhando-os de forma gráfica e de fácil compreensão, assim como os resultados para fibras fabricadas por colaboradores acadêmicos. Palavras chave: OFDR, Birrefringência, Fibra Microestruturada. Abstract The aim of this research is to characterize the birefringence of the optical fibers, as well as to develop a systematic method of characterization of this parameter in conventional and microstructured optical fibers with the help of an OFDR (optical frequency-domain reflectometer). This equipment has a frequency tunable laser which we launch into the optical fiber under study and we analyze the data, compiled by a dedicated software, obtained from backscattered laser light in the fiber. Thus, we can determine waveguide s physical characteristics, such as optical birefringence and distributed loss, the latter being beyond the scope of this work. This article first reviews the propagation of light in media with different refractive indices, detailing Snell s law and its application to the propagation of light in optical fibers. Within this topic, we also study the concepts of birefringence and beat length, illustrating and detailing the physical phenomena involved. Then, the experimental methods used in this research are detailed. Two main systems used for the coupling of light are analyzed, with their advantages and disadvantages discussed, as well as the details of the experimental setups. Finally, we present and discuss the results obtained with optical fibers of known characteristics, as well as those for fibers manufactured by academic collaborators. Key-words: OFDR, Birefringence, Microstructured Optical Fibers 1
2 VII Jornada de Iniciação Científica Introdução A necessidade de canais de comunicação cada vez com capacidade maior de transmissão levou ao desenvolvimento das fibras ópticas. No entanto, sua utilização jamais se limitou apenas a sistemas de transmissão de dados, já que elas também são largamente utilizadas na instrumentação cirúrgica e no sensoriamento de temperatura, pressão, campo magnético, rotação, dentre outros (KROHN,2000). Devido à sua extensa gama de utilização, a fibra óptica ganhou destaque em instituições de pesquisa e desenvolvimento, onde o pesquisador estuda, entre outros aspectos, maneiras de se modificar ou até mesmo desenvolver um novo tipo de guia de onda para atender a uma determinada característica. Nesse processo de modificação e/ou desenvolvimento surge a necessidade de se caracterizar o comportamento real da fibra obtida. Esta pesquisa tem como principal objetivo caracterizar a birrefringência de fibras ópticas convencionais e microestruturadas, sendo elas de fabricação acadêmica ou comercial, através do uso de um OFDR (Optical Frequency-Domain Reflectometer), bem como desenvolver um sistema de acoplamento de luz eficaz entre este equipamento e o guia de onda estudado. 2 Referencial Teórico 2.1 Propagação da Luz Quando um raio de luz incide sobre uma superfície plana que delimita a transição entre dois meios com índice de refração n 1 e n 2 com um determinado ângulo em relação a uma linha imaginária normal a superfície, ele é refratado e refletido sendo que o ângulo de refração está relacionado com o ângulo de incidência pela seguinte equação: ( )= ( ) (1) Onde é o ângulo de incidência e o ângulo de refração e os índices de refração dos meios 1 e 2 respectivamente (SALEH;TEICH, 1991). A figura 1 ilustra o processo. É importante ressaltar que o ângulo de incidência é igual ao de reflexão ( = ). 2
3 Universidade Presbiteriana Mackenzie Figura 1. Esquema ilustrando as leis da reflexão e refração. Meios materiais diferentes possuem índices de refração diferentes. O índice de refração de um material é definido como a relação entre a velocidade da luz no vácuo (~ m/s) e a velocidade da luz no material, conforme a equação 2. Dessa forma, quanto maior o índice de refração, menor a velocidade da luz no meio. A Figura 2 mostra que quando um raio de luz se propaga de um meio com elevado índice de refração para um meio com baixo índice de refração não haverá refração se o ângulo de incidência for maior que um determinado ângulo crítico θ c. = (2) Figura 2. Aumento do ângulo de incidência até o ângulo crítico, onde o raio de luz é totalmente refletido. Esse fenômeno é conhecido como reflexão interna total e θ c é dado, a partir da lei de Snell, por: = (3) 3
4 VII Jornada de Iniciação Científica Conforme ilustra a Figura 3, fibras ópticas convencionais possuem uma estrutura simples e composta por uma casca de sílica com índice de refração n 2 e um núcleo também composto de sílica com índice de refração n 1. Como o principal objetivo da fibra é conduzir a onda eletromagnética, deve-se ajustar n 1 e n 2 de forma a obter a reflexão interna total. Para tal, a fibra óptica possui seu núcleo dopado, geralmente com germânio, de forma a ter n 1 >n 2. Figura 3. Fibra óptica monomodo convencional e suas dimensões, sendo em vermelho a representação da propagação do feixe de luz. 2.2 Birrefringência A birrefringência é uma característica física do meio por onde a luz se propaga e corresponde ao índice de refração depender da orientação da polarização da luz. Fibras ópticas birrefringentes possuem dois eixos principais de propagação, os quais possuem constantes de propagação diferentes. Dessa forma a luz tende a se propagar mais rápido quando sua polarização está alinhada com um destes eixos, e mais lentamente quando alinhada com o outro. Esse fenômeno de atraso entre eixos de propagação é responsável pela mudança no estado de polarização ao longo da fibra óptica, sendo chamado de birrefringência modal B dado pela equação (4) abaixo (AGRAWAL,2001b;KAMINOW,1981). = (4) onde B é a birrefringência modal, e eee e são os índices de refração de cada modo polarizado ortogonalmente (MIRAGLIA, 2010). Quando a luz é acoplada a 45 dos eixos de polarização o campo elétrico pode ser decomposto em cada eixo principal da fibra, conforme mostra a figura 4(a); como a velocidade de propagação é diferente nos eixos de polarização, haverá uma defasagem entre os campos elétricos decompostos e essa defasagem deve aumentar conforme a luz se propaga na fibra, variando de 0 a 2π, até entrar em fase novamente conforme mostrado na Figura 4(b). O comprimento de fibra necessário para uma revolução completa na polarização é chamado de comprimento de batimento dado por (THYAGARAJAN, 1992): onde é o comprimento de onda. = (5) 4
5 Universidade Presbiteriana Mackenzie (a) (b) Figura 4. (a) Decomposição da luz polarizada a 45 em componentes de polarização vertical e horizontal (OLIVEIRA, 2010). (b) Evolução da polarização em um meio birrefringente com período (AGRAWAL, 2001). Em fibras, eixos de birrefringência podem ser criados adicionando-se materiais que criam um estresse mecânico na fibra e que quebram a simetria cilíndrica, conforme mostrado na Figura 5. Fibras com essas estruturas são chamadas de mantenedoras de polarização e geralmente possuem um comprimento de batimento bem determinado, da ordem de alguns milímetros. Figura 5. Fibras mantenedoras de polarização e seus respectivos eixos principais de polarização criados por estresse (Oliveira, 2010). 2.3 Fibras Ópticas Microestruturadas Fibras ópticas microestruturadas, também conhecidas como fibras de cristal fotônico, utilizam uma estrutura micrométrica de buracos periódicos em torno do núcleo e contínua ao longo da fibra para conduzir a luz. Seu núcleo pode ser oco ou sólido conforme mostra a Figura 6. Ao contrário das fibras comuns, as fibras microestruturadas não utilizam apenas o principio básico da reflexão interna total para guiar a onda eletromagnética, dependendo da estrutura, elas o fazem com o auxílio dos Bandgaps Fotônicos que possuem a propriedade de evitar a propagação de freqüências específicas da luz em determinadas direções. Esses Bandgaps são criados através de variações periódicas no índice de refração, permitindo o controle da propagação da luz (Knight, 2003). 5
6 VII Jornada de Iniciação Científica (a) (b) Figura 6.Fibras Microestruturadas. (a) Fibra com núcleo oco (CORDEIRO,2007). (b) Fibra com núcleo sólido (OLIVEIRA,2010). Fibras com núcleo sólido trabalham com o principio da reflexão interna total uma vez que os buracos da casca possuem o índice de refração do ar, menor que o do vidro, fazendo com que a região microestruturada possua um índice médio menor do que o do núcleo. Por outro lado, fibras com núcleo oco utilizam os Bandgaps Fotônicos para guiar a luz; sua estrutura periódica cria reflexões anti-ressonantes que confinam a luz no núcleo (RUSSELL, 2006), conforme ilustra a figura 7. Figura 7. Propagação da Luz em fibras microestruturadas de núcleo oco (CREGAN, 1999). Fibras de cristal fotônico mantenedoras de polarização possuem 2 buracos maiores na estrutura que induzem uma birrefringência de forma (Bock, 2006), permitindo que a fibra conduza a luz sem alterar sua polarização, se esta for lançada em um dos eixos principais da fibra. A Figura 8a mostra uma fibra mantenedora de polarização; para essa fibra, o maior confinamento da luz em um eixo, conforme indica a Figura 8b, cria uma birrefringência modal de forma, que para esse modelo de fibra é da ordem de 5x10-4 (SZPULAK, 2004). É importante ressaltar que a birrefringência de fibras microestruturadas varia muito com o comprimento de onda; esta característica afetou os testes com essa fibra feitas em laboratório, conforme discutido na seção
7 Universidade Presbiteriana Mackenzie Figura 8. Fibra Microestruturada PM mantenedora de polarização (NKT Photonics, 2008). (a) Detalhe da secção transversal. (b) Perfil modal na fibra. 3 Metodologia 3.1 OFDR O OFDR é uma técnica de reflectometria que se destaca pela sua sensibilidade, exatidão e resolução espacial; existem outras técnicas como a OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) e a OLCR (Low Coherence Frequency Domain Reflectometry). A OTDR é utilizada para medidas em fibras de milhares de metros de comprimento e possui baixa resolução. A OLCR garante resoluções bem abaixo de 1 milímetro e com alta sensibilidade mas apenas para comprimentos menores que 5 metros. O OFDR, por outro lado é uma técnica intermediária entre as duas citadas; ela combina resolução espacial (30 micrometros no caso do aparelho utilizado), velocidade de medida (menor que 3 segundos) e sensibilidade (-97 db) em comprimentos medianos (menores que 30 metros). A Figura 9 detalha a montagem típica de um OFDR (BRIAN; DAWN; WOLFE; MARCK, 2005). Na figura o laser sintonizável (TLS) gera a onda eletromagnética que é dividida em duas no ponto 1, posteriormente o feixe é dividido novamente no ponto 2, sendo que uma parte é guiada até o dispositivo (ou fibra) sob analise (DUT) e a outra é mantida no interior do aparelho para referência. O OFDR observa o que volta do DUT e usa a interferometria no ponto 3 para realizar as medidas. O PBS separa as polarizações e os dados são enviados para o computador, que através de um software gráfico os apresenta ao operador. Com esta montagem é, portanto, possível se analisar a evolução da polarização da luz ao longo do DUT e, portanto, se medir a birrefringência do mesmo. 7
8 VII Jornada ada de Iniciação Científica Figura 9. Montagem típica do OFDR (BRIAN; DAWN; WOLFE; MARCK, 2005). 2005) O software utilizado pelo OFDR possui algumas configurações de ajuste, como por exemplo, domínio (tempo ou freqüência), faixa de varredura em função do comprimento de onda, resolução espacial, etc. Como a amplitude dos dados fornecidos pelo software era em db/mm, foi necessário normalizar e linearizar alguns gráficos com a ajuda do software so ORIGIN para facilitar a análise. 3.2 Sistemas de Acoplamento O processo de caracterização da birrefringência de uma fibra com o OFDR envolve o acoplamento de luz no núcleo da mesma. Para a caracterização de fibras convencionais e/ou padrão de telecomunicação, omunicação, uma emenda por fusão pode ser feita com o cordão óptico ligado ao OFDR. Entretanto, existe uma gama muito grande de fibras ópticas convencionais em, principalmente, microestruturadas com núcleos de diferentes diâmetros e especificidades que exigem gem um tratamento especial quanto ao acoplamento, para que uma perda ou uma reflexão muito grande não sejam obtidas, prejudicando a caracterização. Dessa forma, acoplar luz na fibra foi o primeiro passo para realização das medidas. Foram feitas várias montagens agens em laboratório com o objetivo de determinar o sistema de acoplamento mais eficaz e generalizado, ou seja, que atendesse ao maior número de fibras possível sem grandes modificações de montagem. O primeiro sistema eficiente foi simples e de fácil implementação; implementação; o esquema é mostrado na Figura 6 e consiste basicamente na utilização de uma máquina de emendas de fibras ópticas para realizar a fusão entre a fibra de análise e o cordão do OFDR. No caso de fibras com núcleos totalmente compatíveis entre si a máquina máquina pode operar no modo automático, que irá emendar automática e diretamente as fibras. Quando, por outro lado, a fibra a ser 8
9 Universidade Presbiteriana Mackenzie caracterizada possui microestrutura ou uma diferença muito grande de diâmetro de núcleo, o operador deve emendar as fibras no modo manual, que permite ajustar manualmente o posicionamento das fibras antes da emenda. Isto era realizado monitorando-se a potência óptica na saída na fibra. Figura 10. Sistema de acoplamento direto utilizando fusão entre fibras em uma máquina de emendas. Ao encontrar a máxima potência de saída, o operador poderá aplicar o arco voltaico da máquina de emendas, que funde as duas fibras e diminui a reflexão no ponto de junção. Entretanto, o sistema descrito pode não contemplar de forma eficiente algumas fibras microestruturadas ou fibras com núcleo descentralizado. Portanto, foi desenvolvida outra montagem, essa por sua vez mais abrangente, podendo ser utilizada com qualquer fibra de comprimento razoável (não menor que 10 cm). O segundo sistema é mostrado na Figura 7. O cordão do OFDR conduz o feixe de luz até uma primeira lente objetiva. Essa, por sua vez, o colima na direção de uma a segunda lente objetiva que o foca na fibra sob análise. Figura 11. Segundo sistema de acoplamento testado. Embora mais trabalhoso, é mais eficaz que o primeiro. O medidor de potência óptica (Power Meter) na saída auxilia no acoplamento da luz na fibra a ser analisada. Além disso, é possível substituí-lo por uma câmera para se visualizar o 9
10 VII Jornada de Iniciação Científica feixe que deixa a fibra, caso se deseje confirmar que a luz está sendo propagada pelo núcleo desta. As lentes utilizadas devem possuir um filme anti-refletivo no comprimento de onda de operação do OFDR (1550 nm) para que a reflexão da luz nelas não interfira nas medidas. O OFDR possui uma potência de saída muito baixa; dessa forma o sistema era alinhado com o auxilio de um laser com potência de saída de aproximadamente 9,6 dbm e comprimento de onda idêntico ao do OFDR. O laser de alinhamento possui um conector óptico de saída do tipo FC/PC e o OFDR uma saída FC/APC, dessa forma foi necessário conectá-lo com um cordão com conector FC/PC de um lado e FC/APC do outro e conectar o cordão a outra fibra com padrão APC / APC através de um adaptador, conforme a figura 8 detalha. Após o alinhamento do sistema, o ponto A era desconectado e com cuidado levado ao ponto B, sendo assim conectado ao OFDR, que por sua vez faria as medidas. É importante ressaltar que a saída do cordão no suporte, que posteriormente envia o feixe à lente 1 (ver Figura 7), possui saída APC para diminuir a reflexão, já que este padrão de conector tem terminação em ângulo diferente de 90 o. A fibra sob análise também deve ter suas extremidades clivadas em ângulo pelo mesmo motivo. Figura 12. Sistema auxiliar usado para alinhamento do sistema de caracterização da Fig. 7. O laser de 1550nm (com maior potência) era posteriormente desconectado no ponto A e o cordão APC/APC era levado ao ponto B (OFDR) para realizar as medidas. 4 Resultados e Discussão 4.1 Fibra Bow-Tie Com o auxilio io dos dois sistemas de acoplamento descritos pôde-se caracterizar uma larga gama de fibras. Os primeiros testes foram feitos com a fibra de modelo F-SPS, da Newport, que possui seção transversal similar ao da fibra da direita da Figura 5, conhecida como fibra Bow-Tie. A figura 13a detalha o corte transversal dessa fibra, sendo que a figura 13b mostra claramente a região de estresse responsável pela birrefringência; assumindo batimento 10
11 Universidade Presbiteriana Mackenzie máximo de 2mm (conforme especificado pelo fabricante) e utilizando um laser de 1550 nm, a birrefrigencia é dada pela equação (5); = = = = (a) (b) Figura 13. Fibra birrefringente Bow-Tie 1300/1550nm (NewPort, 2011). (a) Esquema da fibra em corte transversal. (b) Imagem óptica da seção transversal mostrando região de estresse próximo ao núcleo. Para caracterização desta fibra, foi utilizado o sistema de lentes já mencionado, onde foi acoplado aproximadamente 30% da potência de luz disponível. Neste caso, o OFDR gerou o gráfico apresentado na Figura 14. Figura 14. Gráfico mostrando potência óptica retro espalhada em função do comprimento para a fibra F-SPS. No gráfico temos a potência retro-espalhada pelas fibras e as reflexões causadas pelas lentes e pelas extremidades das fibras em função do comprimento. O pico na posição zero 11
12 VII Jornada de Iniciação Científica representa a saída do aparelho, o segundo pico de reflexão está na lente 1, seguido pelo pico da lente 2; a partir desse ponto a luz percorre todo o comprimento da fibra e pode ser visto um pico de reflexão na saída da fibra. Figura 15. Evolução da polarização na Fibra P-SPS (Bow-Tie). O operando o OFDR no modo que distingue duas polarizações ortogonais e ampliando-se o gráfico relativo a uma certa região da fibra, pode-se verificar um batimento periódico, conforme mostrado na Figura 15, que corresponde ao comprimento de batimento da fibra. O gráfico mostrado foi normalizado subtraindo-se se de ambas as curvas a potência total (em ambas as polarizações). O fabricante especifica um comprimento de batimento de aproximadamente 2,00 mm, próximo ao valor encontrado em laboratório de aproximadamente 2,205 mm. Para confirmar essa medida de período espacial da modulação, foi obtido o espectro de Fourier do gráfico da Figura 15, o resultado do qual é mostrado na Figura 16. Figura 16. Transformada de Fourier rápida (FFT) da polarização 02, mostrando uma freqüência espacial de 459,3/m, correspondendo a um período de batimento de 2,177mm, muito próximo do valor especificado pelo fabricante (2,00mm). 12
13 Universidade Presbiteriana Mackenzie O gráfico mostra a FFT da polarização 02 na fibra; pode-se ver um pico que está exatamente em =459,309, que corresponde a um batimento de =2,177. Esta medida também se aproxima do valor medido diretamente a partir da Figura 15. Calculando a birrefringência temos: = = , =7, Fibra SP-1550 A segunda fibra a ser caracterizada foi uma fibra polarizadora, na qual apenas uma das polarizações é guiada, a outra sendo perdida para a casca. Esta fibra foi fornecida pelo IEAV (Instituto de Estudos Avançados), e é a fibra de modelo SP-1550, fabricado pela CORNING. A figura 17a mostra seu corte transversal sendo que a figura 17b mostra a distribuição de potência no eixo de polarização. (a) (b) Figura 17. Fibra polarizadora SP (a) Características geométricas. (b) Distribuição de potencia ao longo do eixo de polarização para 1550nm (CORNING, 2006). Para esta caracterização foi utilizado o primeiro sistema de acoplamento, onde o cordão óptico do OFDR foi emendado diretamente à fibra a ser analisada através do uso da máquina de emendas; o gráfico é mostrado na Figura
14 VII Jornada ada de Iniciação Científica Figura 18. Gráfico da potência óptica retro-espalhada retro em função do comprimento para as a duas polarizações na fibra polarizadora. É possível se observar a atenuação a sofrida pela polarização 02 ao longo da fibra. Os dados mostrados na Figura 18 foram extraídos com a fibra mantida reta. Pode-se Pode ver claramente que a polarização 02 decai exponencialmente exponencialmente com um comprimento característico (para decaimento 1/e) igual a 0,10721 m enquanto a polarização 01 é mantida. No entanto pode--se se observar que os gráficos obtidos são bastante ruidosos. Isso ocorre porque, na emenda entre as fibras, parte da onda eletromagnética eletromagnética se acopla para a casca da fibra e é fortemente retro-espalhada retro espalhada pelo recobrimento plástico da fibra em seus primeiros centímetros, antes de se perder. Para reduzir este problema a fibra foi descascada (isto é, removeu-se se o recobrimento plástico) plástico) em seus primeiros 10cm, que foram então curvados e mergulhados em óleo mineral. Isto acelera a perda da luz da casca, já que o óleo possui o mesmo índice de refração da fibra. A Figura 19 ilustra esse processo. Figura 19.. Sistema utilizado para reduzir a parcela da luz propagada pela casca da fibra óptica em seus primeiros centímetros. 14
15 Universidade Presbiteriana Mackenzie Figura 20. Novo gráfico da potência óptica retro-espalhada em função do comprimento para as a duas polarizações na fibra polarizadora, agora com forte redução ruído. Uma ma forte atenuação na polarização 02 é observada. O gráfico normalizado obtido a partir desta nova montagem pode ser visto na Figura 20. O processo de normalização foi feito subtraindo (em escala logarítmica) a soma das duas potências da potência em cada polarização; o ajuste exponencial no gráfico, para a polarização 02, possui um comprimento característico de aproximadamente 0,03423m. Esta atenuação é, portanto, ~3 vezes mais acentuada do que a observada na Figura 18. Isso ocorre porque a constante de atenuação atenuação é função da curvatura da fibra. Dessa forma, uma curvatura com raio menor implicaria em uma atenuação maior; em contrapartida, uma curvatura com raio maior implicaria em uma atenuação menor. 4.3 Fibra com núcleo elíptico Foram, ainda, feitas medidas idas em uma fibra birrefringente de núcleo elíptico cuja pré-forma pré foi fabricada pela DakaElite e que foi puxada no Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CePOF) da UNICAMP. A Figura 21 detalha seu corte transversal, mostrando seu núcleo elíptico e algumas as características geométricas. Esta fibra foi emendada diretamente ao cordão do OFDR e o resultado é mostrado na Figura 22 para as duas polarizações. 15
16 VII Jornada de Iniciação Científica Figura 21. Características geométricas da fibra monomodo (1550nm) de núcleo elíptico fabricada no CePOF. Figura 22. Gráfico gerado pelo OFDR mostrando a evolução da polarização na entrada da fibra e seus primeiros centímetros. A potência em ambas as polarizações apresenta uma periodicidade bastante nítida; no entanto, para remoção de picos que não têm relação com a evolução da polarização, foi necessário normalizar o gráfico acima subtraindo dele a potência total retro-espalhada em cada posição. O resultado está mostrado na Figura 23 em escala linear. Dessa forma o comprimento de batimento fica mais explicito e boa parte do ruído é eliminado. 16
17 Universidade Presbiteriana Mackenzie Figura 23. Gráfico da Figura 22 normalizado e linearizado. Pode-se se ver claramente que a partir da entrada da fibra a polarização começa a oscilar periodicamente. Figura 24. Gráfico da Figura 23 ampliado, explicitando o batimento entre as polarizações. polarizações Figura 25.. FFT do gráfico da Figura 24,, confirmando o comprimento de batimento. A Figura 24 mostra o gráfico da Figura 23 ampliado. Tomando distâncias entre picos sucessivos e fazendo a média entre elas foi obtido um comprimento de batimento de 3,517 mm. Tirando o espectro de Fourier da Figura 24 obtém-se obtém se a Figura 25, onde pode-se pode 17
18 VII Jornada de Iniciação Científica confirmar o valor do comprimento de batimento. É importante ressaltar que a FFT utiliza um número de pontos muito maior para estimar o batimento, sendo por sua vez mais precisa. Calculando a birrefringência com o auxilio da equação 5, temos: 4.4 Fibra PM = = , =4, Finalmente, foram feitas medidas com a fibra microestruturada mantenedora de polarização PM , 01, que foi mencionada previamente nesse artigo na seção 2.3. O fabricante, NKT Photonics, especifica um comprimento de batimento menor que 4mm em 1550nm, fixando =4 a birrefringência pode ser calculada com o auxilio da equação 5: = = = Figura 26. Gráfico normalizado gerado pelo OFDR em 20mm da fibra PM Foi utilizado o sistema de lentes para acoplar luz nessa fibra uma vez que sua microestrutura impossibilita o uso da máquina de emendas. O gráfico gerado pelo OFDR é apresentado na figura 26 e não mostra comprimento de batimento bem definido. Ao se realizar uma FFT do gráfico, mostrada na figura 27, confirma-se que nenhum batimento pode ser definido de forma significativa. Uma possível explicação para a discordância entre a medida realizada e a caracterização fornecida pelo fabricante é que o principio utilizado pelo OFDR para medir o comprimento de batimento impede a observação deste parâmetro na PCF. A medida do OFDR baseia-se em uma de varredura em freqüência; a birrefringência na fibra PM , 01, por outro lado, varia fortemente com a freqüência. Sendo, assim, é possível que a varredura do OFDR impeça uma medição da birrefringência. 18
19 Universidade Presbiteriana Mackenzie Figura 27. Espectro de Fourier obtido da PM , nenhum comprimento de batimento significativo foi observado. 5 Conclusão Este trabalho teve como principal objetivo a caracterização da birrefringência de fibras ópticas, principalmente as modificadas ou fabricadas por parceiros acadêmicos. Foram realizadas, com sucesso, medidas tanto com fibras comerciais quanto com uma fibra fabricada na UNICAMP. Foram ainda desenvolvidos dos e testados diferentes esquemas para acoplamento da luz em fibras com características especiais. O acoplamento através de um sistema de lentes é trabalhoso, no entanto se mostrou mais eficiente nas medidas. Os dados obtidos com a fibra comercial F-SPS e posteriormente com a fibra de núcleo elíptico da UNICAMP comprovam a eficácia do sistema para a caracterização da birrefringência de fibras ópticas. Deve-se ressaltar que o resultado com a fibra da UNICAMP é inédito, já que a fibra foi fabricada na própria instituição e não havia sido previamente caracterizada quanto à sua birrefringência. Os resultados obtidos com uma fibra polarizadora também foram bastante satisfatórios, principalmente quando a entrada da fibra era emergida por completo em óleo mineral. Obteve-se um comprimento característico de atenuação de 0,10302m quando a fibra era mantida reta e de 0,3423m quando uma curvatura com ~4,5 cm de diâmetro era induzida. Para uma caracterização mais completa seria necessária uma série de medidas de atenuação em função do raio de curvatura. Embora tenha sido realizada uma série de medidas para a fibra microestruturada PM , não foi obtido nenhum comprimento de batimento. Isso ocorreu devido a limitações do aparelho quando a birrefringência a ser medida apresenta forte dependência com o comprimento de onda. 19
20 VII Jornada de Iniciação Científica Referências AGRAWAL, G. P. Nonlinear Fiber Optics. 3. ed. Rochester: Academic Press, 2001b. BOCK, J. W.; CHEN J.; EFTIMOV, T.; URBANCZYK, W.; A Photonic Crystal Fiber Sensor for Pressure Measurements, IEEE, v. 55, n. 4, p , BRIAN J. SOLLER, DAWN K. GIFFORD, MATTHEW S. WOLFE, MARK E.FROGGATT; High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies; Optical Society of America v.13, CORDEIRO C. M. B., DE MATOS C. J. S., ELIANE M., BOZOLAN A., ONG J. S. K., FACINCANI T., CHESINI G., VAZ A. R., CRUZ C. H. B.; Towards practical liquid and gas sensing with photonic crystal fibres: side access to the fibre microstructure and single-mode liquid-core fibre; Measurement Science and Technology 18, p , CORNING PHOTONIC MATERIALS. Aprensenta os dados técnicos referentes a fibra SP Sigle Polarization Specialty Fiber. Disponível em: <www.corning.com/workarea/downloadasset.aspx?id=14819>. Acesso em 14 Abril CREGAN, R. F.; MANGAN, B. J.; KNIGHT, J. C.; BIRKS, T. A.; RUSSELL, P. St. J.; ROBERTS, P. J.; ALLAN, D. C.; Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Light in Air; Science 285, p , DRAKAELITE. Apresenta os dados técnicos da fibra Elliptical Core Single-Mode Fiber E- Core. Disponivel em: <http://communications.draka.com/sites/eu/datasheets/drakaelite%20elliptical%20core%20 Single-Mode%20Fiber%20-%20E-Core.pdf >. Acesso em 15 Abril KAMINOW, I. P.; Polarization in Optical Fibers, Journal of Quantum Electronics, v. 17, n. 1,p , KNIGHT, J. C.; Photonic Crystal Fibres, Nature, v. 424, p , ago Krohn D. A.; Fiber Optic Sensors Fundamentals and Applications; Third Edition, Research Triangle Park: Instrument Society of America, MIRAGLIA, R. C. R. Modelagem numérica de uma fibra óptica microestruturada para sensoriamento distribuído de pressão. Qualificação (Mestrado em Engenharia Elétrica)- Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie. São Paulo: Universidade Presbiteriana Mackenzie,