BR112017009284B1

BR112017009284B1 - Fibra óptica multimodo para transmissão contínua de radiação eletromagnética a alta potência, métodos para transmitir radiação a alta potência ao longo de uma fibra óptica, e, cabo óptico

Info

Publication number: BR112017009284B1
Application number: BR112017009284-0A
Authority: BR
Inventors: João Carlos Vieira Da Silva; Evandro Lee Anderson Spìnola De Souza; Valeria Garcia; João Batista Rosolem; Claudio Floridia; Marcos Antonio Brandão Sanches
Original assignee: Prysmian S.P.A
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2022-07-12
Also published as: EP3215876A1; CN107533194A; CN107533194B; US20180335563A1; ES2909898T3; US10197725B2; WO2016070946A1; EP3215876B1; DK3215876T3; BR112017009284A2

Abstract

A presente invenção refere-se a uma fibra óptica multimodo (99) para transmissão contínua de radiação eletromagnética a alta potência, a dita fibra definindo um eixo geométrico de fibra e compreendendo um núcleo (110) e um revestimento (120) circundando o núcleo, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra de índice gradual multimodo, o perfil de índice refrativo na fibra seguindo essencialmente a fórmula (1), onde a fórmula (A), ? r é a distância do eixo geométrico da fibra, ? n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, ? n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, ? n2 é o índice refrativo do revestimento, ? a é o raio do núcleo, e ? g é um parâmetro que define a forma do perfil, ? onde o diâmetro de núcleo 2a está compreendido entre 90 µm e 190 µm, ? o parâmetro g está compreendido entre 1,2 e 1,8, e a abertura numérica (NA) da fibra, onde a fórmula (B), está compreendida entre 0,2 e 0,3.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção se refere a uma fibra óptica multimode para transmissão de alta potência sobre longas distâncias. Refere-se também a um método para a transmissão de alta potência óptica em longas distâncias.

Fundamentos da Técnica

[002] De forma padrão, uma fibra óptica é composta por um núcleo óptico cuja função é transmitir um sinal óptico e um revestimento óptico externo cuja função é confinar o sinal óptico dentro do núcleo. Para este fim, os índices de refração do núcleo (nnúcleo) e o revestimento (nrevestimento) são tais que nnúcleo > nrevestimento.

[003] O perfil do índice de refração indica o gráfico da função que associa o índice de refração ao raio da fibra óptica. De forma padrão, a distância ao centro da fibra óptica é mostrada no eixo geométrico x, e no eixo geométrico y, a diferença entre o índice de refração naquela posição radial e o índice de refração do revestimento óptico externo é mostrada. Geralmente, o perfil do índice de refração é qualificado de acordo com sua aparência.

[004] Existem dois tipos principais de fibras ópticas, sendo fibras multimodo e fibras de modo único. Em uma fibra multimodo, para um determinado comprimento de onda, vários modos ópticos são propagados simultaneamente ao longo da fibra óptica, enquanto que em uma fibra de modo único, os modos de ordem superior são fortemente atenuados.

[005] Agora, em uma fibra multimodo, a largura de banda está ligada à dispersão intermodal. De fato, a largura de banda resulta da diferença entre os tempos de propagação, ou tempos de atraso de grupo, dos modos ópticos ao longo da fibra. Em particular, para o mesmo meio de propagação (em um índice de índice de fibra multimodo), os diferentes modos têm diferentes tempos de atraso de grupo. Isso resulta em um intervalo de tempo entre os impulsos que se propagam em diferentes posições radiais. Um intervalo de tempo entre os impulsos individuais provoca um alargamento do pulso de luz resultante com o risco de este alargamento ser sobreposto ao seguinte pulso e, portanto, reduzir a taxa de dados suportada pela fibra. A largura de banda está, portanto, diretamente ligada ao tempo de atraso do grupo dos modos ópticos que se propagam no núcleo multimodo da fibra. Para garantir uma ampla largura de banda, é necessário que os tempos de atraso do grupo de todos os modos sejam idênticos, para que a dispersão intermodal seja zero, ou pelo menos minimizada, para um determinado comprimento de onda.

[006] A fim de reduzir a dispersão intermodal em uma fibra multimodo, propôs-se a produção de fibras de índice graduadas com um perfil de núcleo "g", como em "Ampliação de impulsos em fibras ópticas de índice graduado" (R. Olshansky e DB Keck, Applied Optics, Vol. 15, Issue 2, pp. 483-491, 1976) e em "Multiple-a index profiles" (R. Olshansky, Applied Optics, Vol. 18, Edição 5, pp. 683-689, 1979).

[007] As fibras de índice graduado multimodo com um perfil "g" do núcleo central foram usadas por muitos anos.

[008] Um perfil de índice graduado pode ser estabelecido por uma relação entre o valor do índice de refração n em um determinado ponto como uma função da distância r desse ponto para o centro da fibra óptica:

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, n2 é o índice de refração do revestimento, que é considerado homogêneo para r> a, a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil.

[009] Para g que tende para o infinito, a fibra multimodo de índice graduado torna-se uma fibra de índice de etapa multimodo.

[0010] Quando uma radiação eletromagnética multimodo se propaga na dita fibra de índice graduado, os modos diferentes veem um meio de propagação diferente, que tem um efeito diferente na velocidade de propagação. Ao ajustar o valor do parâmetro g, é possível obter uma velocidade de grupo que é praticamente igual para todos os modos e, portanto, uma dispersão intermodal reduzida.

[0011] Este ajuste do parâmetro g teoricamente permite a obtenção de uma velocidade de grupo que é praticamente igual para todos os modos. O parâmetro g para o qual a largura de banda é máxima e a velocidade do grupo é a mesma para todos os modos é igual a cerca de 2. Portanto, geralmente, as fibras ópticas de índice graduado são fabricadas com o parâmetro ag em torno do valor de 2.

[0012] As partidas de formas de núcleo dos valores de g ideais (de cerca de 2) em fibras multimodo são consideradas indesejáveis pelos especialistas na técnica, porque tais partidas resultam em maior variação do atraso associado a cada grupo de modos e, portanto, na redução da largura de banda total.

[0013] Os sistemas baseados em potência sobre a fibra (PoF) foram propostos para muitas aplicações como "Transmissão de energia por fibras ópticas para a comunicação inerente de componentes" (M. Dumke et al, Systemics, Cybernetics and Informatics, Vol.8, No. 1, pp 55-60, 2010), principalmente para detecção em locais perigosos, como subestações de alta tensão, linhas de transmissão, refinarias de petróleo, etc. Uma vez que os diodos de laser de alta potência (HPLD) que operam em uma janela de 808 nm estão disponíveis, as principais restrições para PoF são a baixa eficiência dos conversores fotovoltaicos GaAs ou Si (PV) e os limites de atenuação e potência das fibras multimodo padrão. Devido a esta restrição, as aplicações do PoF são principalmente para distâncias curtas, tipicamente menos de 200 m, e usam fontes com potência de alimentação inferior a 2 W e índice graduado de 62,5 μm ou fibra multimodo de índice de etapa de 105 μm. Atualmente, as aplicações PoF, especialmente aquelas em áreas, como a vigilância petrolífera e marítima, exigem ligações mais longas e/ ou mais potência de alimentação.

[0014] Neste contexto, uma fibra otimizada representa um element importante nos sistemas PoF.

[0015] O documento US 5115486 refere-se a uma fibra multimode óptica para a transmissão de radiação de laser com alta saída de radiação. Sua saída inicial pode exceder 100 W na operação de onda contínua, e a saída de pico pode ser de muitos MW em operação pulsada. Em particular, fibra de perfil de índice graduado óptica para transmissão de radiação de laser com alta saída com um núcleo com diâmetro entre 20010 "6m e 800 10'6m, o expoente g está entre 1.4 e 3.0 e a diferença do índice de refração em Δnk=nki—nka, Nka é superior a 1,6 10"3 é descrita.

[0016] O documento EP 2 166 386 refere-se a fibras ópticas multimodo com alta largura de banda e perda de flexão ultrabaixa. Elas classificaram o perfil do índice de refração, o raio do núcleo de 7 da noite a 50 horas, a forma de perfil alfa de 1,6 a 2,2 e a diferença de índice de refração dl-d4 de -0,019 a 0,032.

Sumário da Invenção

[0017] As fibras ópticas multimodo de índice graduado são fibras cujo índice de refração segue substancialmente a equação (1). Dentro da região do núcleo, o índice de refração n (r) de uma fibra de índice graduado tem um máximo no eixo geométrico da fibra (r = 0) com valor igual a n1, enquanto que no revestimento o índice de refração é constante e igual a n2.

[0018] Para orientar os modos, o mesmo deveria ser menor do que n1.

[0019] Embora em US 5115486 o problema do transporte de alta potência dentro de uma fibra óptica tenha sido discutido, não há nenhuma indicação sobre abordar o problema do transporte dessa potência óptica tão alta quanto possível acima de um dado limite de potência dentro da fibra. Além disso, não é feita nenhuma consideração sobre uma possível potência óptica de entrada que pode danificar a própria fibra. Geralmente, o transporte de alta potência dentro de fibra óptica multimodo, por exemplo, para aplicações industriais ou médicas, é limitado a distâncias na fibra dentro de dezenas de metros.

[0020] Procura-se uma fibra óptica de índice graduado multimode cujas características sejam otimizadas para transportar a radiação eletromagnética com alta potência óptica (acima de 1 W) tanto quanto possível dentro da fibra, mantendo a potência óptica acima de uma determinada potência, pré-estabelecida para a aplicação desejada, mas abaixo de um determinado limite de energia possivelmente danificando a própria fibra.

[0021] Um outro objetivo da invenção é transportar dentro de uma fibra óptica de índice graduado multimodo apenas potência não prejudicando ou alterando de outra forma o material de fibra óptica.

[0022] O Requerente verificou que o transporte de alta potência óptica dentro da fibra óptica multimodo pode ser obtido selecionando uma combinação precisa de parâmetros para a realização da própria fibra óptica, de modo que a distância de deslocamento de uma radiação eletromagnética com uma potência óptica abaixo da potência prejudicial para a fibra e acima de uma dada potência pré-estabelecida dentro da fibra pode ser maximizada.

[0023] Em particular, o requerente verificou que um perfil g predeterminado - diferente do valor ideal de g = 2 que geralmente é o valor comum de g usado para a realização de fibras ópticas de índice graduado multimodo - permite que uma fibra óptica multimodo transporte alta potência óptica para distâncias muito superiores a 200 m.

[0024] De acordo com um primeiro aspecto, a invenção se refere a uma fibra óptica multimodo para transmissão contínua de radiação eletromagnética a alta potência, a dita fibra definindo um eixo geométrico de fibra e tendo um núcleo circundado por um revestimento, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra de índice gradual multimodo, o perfil de índice de refração na fibra seguindo essencialmente a fórmula (1):

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, n2 é o índice refrativo do revestimento, a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil, caracterizada pelo fato de que o diâmetro de núcleo 2a está compreendido entre 90 μm e 190 μm, o parâmetro g está compreendido entre 1,2 e 1,8, e a abertura numérica NA da fibra, onde

está compreendida entre 0,2 e 0,3.

[0025] Para efeitos da presente descrição e das reivindicações anexas, exceto quando indicado de outra forma, todos os números que expressam quantidades, quantidades, percentagens, e assim por diante, são para ser compreendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo "cerca de". Além disso, todas as faixas incluem qualquer combinação dos pontos máximos e mínimos divulgados e incluem quaisquer faixas intermédias neles existentes, que podem ou podem não serem especificamente aqui enumerados.

[0026] Na presente descrição e reivindicações como "transmissão contínua", entende-se que a energia é injetada e transportada pela fibra óptica de forma não pulsada.

[0027] A potência contínua de entrada, no entanto, é de preferência uma potência contínua constante tendo sempre substancialmente o mesmo valor, mas também pode incluir oscilações de potência.

[0028] O requerente considerou a potência óptica de uma radiação eletromagnética inserida em uma fibra óptica Pm de índice graduado multimodo, um limite de potência Pthr, correspondente à potência máxima permitida que pode ser inserida na fibra sem causar danos e uma potência pré- estabelecida desejada PL abaixo da qual a potência dentro da fibra da invenção não deve subir até uma determinada distância L (considerando a origem da ordenada na entrada em que a radiação eletromagnética é introduzida na fibra multimodo da invenção).

[0029] PJs a potência em um local L dentro da fibra óptica multimode da invenção. Caso a fibra tenha um comprimento igual a L, PL é a potência de saída, ou seja, a potência no final da fibra que em aplicações PoF é convertida em energia elétrica para acionar circuitos eletrônicos e sensores de interesse.

[0030] O requerente verificou que, para maximizar a distância L percorrida pela radiação eletromagnética dentro da fibra, a dita radiação eletromagnética tendo sempre uma potência inferior à potência limiar Pthr que pode danificar a fibra e, ao mesmo tempo, acima da potência pré-estabelecida PL, pelo menos até a distância L, a seguinte equação deve ser considerada:

onde α é a atenuação e maximizada. Pin, que é a potência da radiação eletromagnética na entrada da fibra, deve ser mantido menor que Pthr. PL é a potência pré-estabelecida que é a potência a uma distância L da entrada da radiação eletromagnética dentro da fibra. L é a distância a ser maximizada, isto é, a fibra é otimizada de modo que uma radiação eletromagnética possa percorrer dentro da fibra com uma potência óptica acima PL para a distância L mais longa, onde a potência óptica da radiação eletromagnética também está sempre abaixo da potência limiar Pthr que está estabelecida abaixo e é a potência acima da qual o material em que a fibra é realizada pode estar danificado.

[0031] O Requerente entendeu que um dos parâmetros relevantes a ser considerado para maximizar a quantidade L, ou seja, a distância percorrida pela radiação eletromagnética, mantendo a potência acima de PL e abaixo de Pthr, é o parâmetro g do perfil de índice de refração. Atenuação é um parâmetro relevante é ordem para determinar como a potência óptica introduzida na fibra atenua com a distância da entrada.

[0032] No caso de Pin (Com Pin baixo P-i^) E PL são duas dadas quantidades, ou seja, duas constantes estabelecidas pelo usuário que deseja, tendo uma fonte eletromagnética dada, como laser com potência máxima Pm, obter uma potência dada como saída PL, ou a uma distância L, a equação a ser maximizada para obter a distância mais longa que pode ser percorrida por esta radiação, mantendo uma potência acima de PL é então igual a

onde a atenuação é igual a

e C(g, p) é dado por

[0033] Conforme encontrado e discutido em "Mode Coupling Effects in Graded-lndex Optical Fibers" (R. Olshansky, Appl. Opt. 14, pp. 935-945, 1975), onde g é o perfil do índice do parâmetro, p é um parâmetro relacionado à influência das condições externas na fibra, Zi (v) é o primeiro zero da função de Bessel; d e D são constantes relacionadas à força de acoplamento e ao comprimento de correlação, respectivamente. As condições em que p = 2 são as mais realistas, onde as condições externas de tensão, variação do diâmetro, etc., estão aumentando o acoplamento modal.

[0034] O requerente descobriu que, se o perfil de índice de refração do perfil de índice graduado multimodo tiver um parâmetro ag igual a g=1,3, um mínimo da atenuação é obtido. No caso de Pjn E PL serem constantes, com Pin abaixo de PtnR, isso, por sua vez, implica um máximo no valor de L de equação (2), que é inversamente proporcional ao valor da atenuação. Independentemente do comprimento de onda inserido na fibra e do tamanho do núcleo de fibra, a radiação eletromagnética com entrada de energia Pin alcançaria a distância máxima L (g) dentro da fibra se uma fibra óptica multimodo for fabricada com um parâmetro g igual a 1,3 antes de atenuar a sua potência óptica abaixo do valor PL.

[0035] Além disso, é claro a partir da equação (2) que o L máximo pode ser obtido para a potência de entrada máxima Pin. A potência máxima que pode ser inserida na fibra é a potência limiar Ptnr acima da qual o material em que a fibra é formada pode ser danificado.

[0036] Uma radiação eletromagnética que tenha uma potência óptica muito elevada introduzida em uma fibra óptica pode danificar a última, por exemplo, queimando o material, tal como a sílica, na qual a fibra óptica é formada. Para a fibra óptica de multimodo, o valor limiar de tal potência óptica limiar acima do qual o dano da fibra pode ocorrer corresponde a 3,6 MW/cm2 como obtido em "Experimental data on the fiber fuse," (DD Davis, SC Mettler, and DJ DiGiovanni, Proc SPI E 2714, 27th Annual Boulder Damage Symposium: Laser-I nduced Damage in Optical Materials: 1995, pp. 202-210, 1996).

[0037] Para obter uma potência óptica de entrada limiar para uma dada fibra a partir desta densidade de potência limiar, o valor limiar da densidade óptica deve ser multiplicado pelo diâmetro de campo modal (MFD) da fibra multimodo, que também é função do perfil de índice de refração n(r), portanto, do parâmetro g, da abertura numérica NA da fibra onde

e do diâmetro 2a do núcleo da fibra óptica.

[0038] A seguinte equação utilizada para obter o MFD é obtida usando a aproximação descrita em "Gaussian approximation of the fundamental modes of graded-index fibers, "(D. Marcuse, J. Opt Soc Am 68, pp. 103-109, 1978):

onde V é a frequência normalizada ou o número V é estabelecido como V = (2απ / X) NA e X é o comprimento de onda da radiação eletromagnética inserida. Os parâmetros A, B e C são dados pelas equações abaixo escritas, que também podem ser encontradas no artigo já citado "Gaussian approximation of the fundamental modes of graded-index fibers," (D. Marcuse, J. opt Soc Am 68, pp. 103-109, 1978):

[0039] A partir dessas equações, multiplicando a densidade de potência limiar obtida experimentalmente de 3,6 MW / cm2 pela área efetiva do MFD, a potência óptica limiar de entrada Pthr - que pode ser usada e abaixo do qual a fibra óptica provavelmente não está danificada - é dada por (em dBm)

onde 3,6 na equação (6) é a densidade de potência limiar experimental.

[0040] Apresentando a equação (5) na equação (6), os resultados de potência óptica limiar de entrada

que é uma função do parâmetro g, do comprimento de onda da radiação eletromagnética inserida e do diâmetro do núcleo da fibra óptica multimodo.

[0041] Portanto, a equação (2), na qual a distância máxima que pode ser percorrida por uma radiação eletromagnética com uma potência óptica de entrada dada antes de sua potência óptica cair abaixo de uma potência óptica pré-estabelecida PL dependendo da aplicação), pode ser calculada para a potência óptica de entrada máxima possível Pin = Pthr dada na equação (7) que não danifica a fibra.

[0042] Consequentemente, a potência óptica de entrada máxima que pode ser usada no cálculo de L da equação (2) é a potência óptica da equação (7) que representa a potência óptica máxima que não prejudica a fibra:

[0043] PL é um valor constante e é estabelecido pelo usuário como a saída desejada da fibra ou a potência desejada a uma distância L da entrada, ou seja, a potência após uma distância L que deve ser maximizada.

[0044] O máximo da curva da equação (8) como uma função de g não é dado pelo mínimo da atenuação, porque também existe uma dependência de g está presente na potência óptica limiar de entrada da equação (7) também.

[0045] O Requerente descobriu que a equação (8) tem um máximo como função de g para o valor de ag, compreendido entre 1,2 e 1,8, quando a radiação eletromagnética com um comprimento de onda compreendido entre 750 nm e 1000 nm (que é uma faixa de comprimento de onda compreendendo os comprimentos de onda comuns usados por lasers ou diodos padrão para entrada de radiações eletromagnéticas em fibras) e uma fibra com um diâmetro do núcleo compreendido entre 90 μm e 190 μm e uma abertura numérica compreendida entre 0,2 e 0,3 são utilizadas.

[0046] De preferência, esta faixa de diâmetros das fibras multimodo é considerada porque é a mais adequada para aplicações de potência sobre fibras para se adaptarem à área ativa de conversores fotovoltaicos e ao tamanho do núcleo da saída de fibra laser de alta potência.

[0047] De preferência, o núcleo da fibra da invenção tem um diâmetro compreendido entre 95 μm e 110 μm.

[0048] Para um valor de g entre 1,2 e 1,8, a potência PL pré- estabelecida pode ser estabelecida acima de 30 dBm. Para tal potência, uma distância L acima de 500 metros pode ser alcançada, ou seja, depois de mais de 500 metros na fibra, a potência óptica da radiação eletromagnética ainda está acima de 30 dBm, considerando uma potência de entrada abaixo do limiar da equação (7).

[0049] A potência de saída desejada PL, que pode ser considerada como a potência de saída desejada após o comprimento L, é configurada antes do cálculo do L máximo ser feito, de modo que o L máximo para obter o valor de potência óptica desejado PL é obtido.

[0050] É mostrado pelo requerente que, para uma fibra multimode com ag compreendida entre 1,2 e 1,8, para uma ampla faixa de potências de alto rendimento PL (por exemplo, para potência de saída até 50 dBm, por exemplo entre 25 dBm e 33 dBm), o comprimento L máximo obtido da fibra ao longo do qual a radiação eletromagnética pode percorrer tendo uma potência óptica acima dessa potência de saída é superior a 500 metros, de preferência acima 1000 m.

[0051] Deve ser entendido que a fibra óptica da invenção adequada para transmitir alta potência óptica e, ao mesmo tempo, operando com potência óptica que não causa danos à sua estrutura, também pode ser usada para comunicação de dados, simultaneamente ou não com a energia óptica de transmissão. Tal fibra óptica pode ser usada para transportar dados e potência.

[0052] De acordo com um segundo aspecto, a invenção refere-se a um método para transmitir radiação a alta potência ao longo de uma fibra óptica, incluindo: - introduzir continuamente radiação eletromagnética tendo uma potência óptica de entrada igual ou superior a 1 W e um comprimento de onda compreendido entre 750 nm e 1000 nm em uma fibra óptica multimodo, em que a dita fibra óptica multimodo define um eixo geométrico de fibra e compreende um núcleo e um revestimento circundando o núcleo, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra óptica de índice gradual, o perfil de índice de refração em

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n2 é o índice refrativo do revestimento, a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro compreendido entre 1,2 e 1,8; e - obter uma potência de saída de pelo menos 30 dBm depois de um comprimento de pelo menos 500 m.

[0053] De preferência, o método da invenção compreende transmissão de radiação com alta potência para um comprimento de pelo menos 1000 m.

[0054] A fibra da invenção pode ser usada para transportar radiação eletromagnética com alta potência para distâncias relativamente longas. A radiação eletromagnética pode percorrer para a fibra multimodo por uma distância muito longa L antes de sua potência óptica se desintegrar abaixo de uma determinada potência óptica pré-estabelecida PL.

[0055] Esta radiação eletromagnética de entrada tem um comprimento de onda compreendido entre 750 nm e 1000 nm, que são os valores selecionados para o cálculo da distância máxima da equação (8). A potência de entrada é de preferência de pelo menos 1 W. De preferência, a potência de entrada está acima de 2 W.

[0056] A potência modulada permite a transmissão de dados e não apenas de potência na fibra multimodo da invenção.

[0057] De acordo com um terceiro aspecto, a invenção se refere a um método para otimização do perfil de índice refrativo para maximizar a distância de transmissão de radiação eletromagnética dentro de uma fibra óptica multimodo enquanto mantém uma potência óptica de dita radiação eletromagnética percorrendo a dita fibra óptica multimodo acima de um dado valor pré-estabelecido de potência óptica, a fibra óptica multimodo definindo um eixo geométrico de fibra e incluindo um núcleo circundado por um revestimento, em que a fibra óptica multimodo é um perfil de índice refrativo de fibra de índice gradual que segue essencialmente a seguinte fórmula:

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico, n2 é o índice refrativo do revestimento, a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil, o método compreendendo: - selecionar uma radiação eletromagnética a ser introduzida na fibra óptica multimodo tendo um comprimento de onda compreendido entre 750 nm e 1000 nm na dita fibra óptica multimodo e tendo uma potência óptica de entrada acima de 1 W; - selecionar o dito valor pré-estabelecido da potência óptica; e - selecionar o parâmetro g entre 1,2 e 1,8.

[0058] De preferência, o método pode incluir a etapa de selecionar a abertura numérica da fibra.

[0059] Mais preferencialmente, a dita abertura numérica está compreendida entre 0,2 e 0,3.

[0060] Em um quarto aspecto, a presente invenção se refere a um cabo óptico compreendendo cabo óptico, que compreende uma fibra óptica multimodo para transmissão contínua de radiação eletromagnética a alta potência, a dita fibra definindo um eixo geométrico de fibra, um núcleo e um revestimento circundando o núcleo, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra de índice gradual multimodo, o perfil de índice de refração na fibra seguindo essencialmente a fórmula:

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, n2 é o índice refrativo do revestimento, a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil, caracterizada pelo fato de que o diâmetro de núcleo 2a está compreendido entre 90 μm e 190 μm, o parâmetro g está compreendido entre 1,2 e 1,8, e a abertura numérica (NA) da fibra, onde

está compreendida entre 0,2 e 0,3.

[0061] De preferência, o dito revestimento e/ ou o dito núcleo inclui sílica.

[0062] Vantajosamente, o dito revestimento inclui sílica não dopada.

[0063] De preferência, a diferença do índice de refracção é obtida dopando o núcleo e não o revestimento que de preferência permanece não dopado.

[0064] De preferência, o revestimento pode ser homogêneo, ou seja, pode ter um índice de refracção substancialmente constante n2. Em algumas modalidades, o revestimento pode vantajosamente ter uma espessura compreendendo uma região com índice de refração deprimida em relação ao índice de refração do revestimento n2 e dito como trincheira. Um tal índice de refração deprimido pode ser obtido por dopamento de flúor e/ou provendo furos ou espaços na trincheira, como descrito, por exemplo, em WO 2008/005233, US 2009/0185780 e WO2012 / 010212. A presença da dita trincheira pode prover uma diminuição na perda de flexão.

[0065] Para alterar o perfil de índice de refração do núcleo de acordo com a equação (1), o núcleo deve ser dopado. O revestimento permanece preferencialmente não dopado (perfil de índice de sílica puro com um índice de refração constante) para obter as características de transmissão desejadas, resultando em um processo de fabricação mais barato.

[0066] Em uma modalidade preferida, o dito núcleo inclui silica dopada.

[0067] Para obter um perfil de índice de refração, tal como na equação (1) e com o parâmetro g preferido compreendido entre 1,2 e 1,8, é realizado um dopamento adequado do material do núcleo. De preferência, este dopamento pode incluir Ge02 (germanosilicato), P205 (fosforilato) e/ ou Al203 (aluminossilicato).

[0068] De preferência, a dita fibra tem uma diferença de índice de refração entre o dito núcleo e o dito revestimento (n1 -n2) compreendida entre 0,0556 e 0,0725.

[0069] De preferência, o diâmetro do diâmetro da fibra óptica multimodo está compreendido entre 125 μm e 500 μiTi.

[0070] O diâmetro da fibra é o diâmetro externo do revestimento.

[0071] De preferência, de acordo com o segundo e / ou terceiro aspecto, no (s) método (s) da invenção, a fibra de índice graduado multimodo tem um diâmetro de núcleo de 90 μnT a 190 μnT, mais preferencialmente compreendido entre 95 μnT e 110 μm.

[0072] Vantajosamente, o parâmetro g é de 1,3 a 1,6.

[0073] De preferência, o comprimento de onda da radiação eletromagnética inserida está compreendido entre 800 nm e 900 nm.

[0074] Vantajosamente, o método da invenção inclui a saída da dita fibra óptica multimodo ao dito comprimento ou distância de pelo menos 1000 m, uma radiação eletromagnética com uma potência óptica de pelo menos 25 dBm.

[0075] Mais preferencialmente, a dita potência óptica a uma distância ou comprimento L de pelo menos ou acima de 1000 metros é de pelo menos 30 dBm. Usando a fibra e/ ou o método da invenção, uma potência óptica relativamente alta também após um comprimento relativamente longo (distância L) da fibra é obtida.

[0076] Vantajosamente, a introdução da dita radiação eletromagnética inclui a introdução de uma radiação eletromagnética tendo uma potência óptica inferior a um valor limiar de entrada.

[0077] De preferência, a potência óptica de entrada está acima de 2 W.

[0078] De preferência, o valor limiar de entrada da dita potência óptica de entrada é dado pela equação (7).

[0079] De preferência, o dito valor pré-estabelecido da potência óptica é de até 50 dBm, mais preferencialmente é de pelo menos 25 dBm. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0080] A invenção será melhor descrita abaixo com referência não limitativa aos desenhos anexos em que: A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva de uma modalidade de um cabo óptico que inclui uma fibra óptica de acordo com a invenção; A Figura 2 mostra um gráfico de um perfil de índice de refração de uma fibra óptica de acordo com a invenção, A Figura 3 mostra vários perfis de um índice de refração de núcleo de fibra óptica multimodo normalizado para o parâmetro g variando de 1 a 100, estes perfis representam fibras que não pertencem à invenção; A Figura 4 mostra uma pluralidade de gráficos que representam o MFD, o limite de potência e o limite mínimo e a potência do laser, por exemplo 10 W, dependendo da variação do perfil de índice g; A Figura 5 mostra um gráfico da atenuação (curva sólida) para fibra multimodo e um gráfico para a distância L (linha tracejada) em relação ao parâmetro de perfil g a potência do laser de liberação, por exemplo, 10 W (curva tracejada); - A Figura 6 mostra três gráficos da distância L como função do parâmetro g para três diferentes potências de saída, comprimento de onda fixo a 808 nm; A Figura 7 mostra três gráficos da distância L como função do parâmetro g para três comprimentos de onda diferentes para um PL= 30dBm fixo; A Figura 8 mostra três gráficos da distância L como uma função do parâmetro g para três comprimentos de onda diferentes para um 1 33 dBm fixo; A Figura 9 representa três curvas nos três comprimentos de onda diferentes em função de PL, para os três comprimentos de onda acima. O "melhor g" é o g que dá a distância máxima; A Figura 10 representa três curvas nos três comprimentos de onda diferentes em função de PL, para os três comprimentos de onda acima. O "alcance no máximo g" é a distância máxima no melhor g; e Figura 11 é uma vista esquemática de uma aplicação da fibra da invenção.

Descrição detalhada de uma ou mais das modalidades da invenção

[0081] Conforme ilustrado na Figura 1, um cabo óptico 100 para a transmissão de potência "alta" e, de preferência, também de dados que inclui uma fibra óptica multimodo 99 é representado.

[0082] A fibra óptica multimodo 99 da invenção pode não ser parte de um cabo óptico, mas também pode ser usada como uma fibra única.

[0083] A fibra óptica 99 inclui um núcleo 110 e um revestimento 120 circundado por uma ou mais camadas de revestimento 130 para proteção. O cabo óptico 100 pode incluir uma pluralidade de fibras ópticas 99 circundadas por uma bainha externa 140 para proteção contra o ambiente externo.

[0084] A Figura 11 mostra um exemplo de aplicação da fibra óptica 99 em uma aplicação de potência sobre fibra. Um sistema 200 inclui três partes: uma fonte de potência óptica OPS compreendendo um diodo de laser de alta potência HPLD, um controlador de diodo de laser LDC e um receptor óptico RX, uma unidade remota RU (contendo um sensor S, um conversor fotovoltaico PV, um semicondutor Fabry Perot Laser FPLD e um conversor de circuito de acionamento anci FM) e as fibras FO realizadas como a fibra 99 de acordo com a invenção, conectando a fonte de potência OPS com RU. É possível usar HPLDs e fibras adicionais 99 para aumentar a potência transmitida. Também é possível conectar outros PVs de conversores fotovoltaicos para aumentar a potência convertida na unidade remota RU. Conversores fotovoltaicos PVs tipicamente têm uma área ativa entre 62,5 μl e 30 μl e geralmente funcionam a um comprimento de onda de 850 nm.

[0085] O perfil de índice da fibra multimodo de acordo com a invenção é substancialmente de acordo com o gráfico representado na Fig. 2. Para apreciar os possíveis perfis de índice alcançáveis ao alterar o parâmetro g da equação (1), a figura 3 mostra a variação do perfil de índice n (r) para diferentes valores de g. Quando o parâmetro g é igual a unidade (g = 1), o perfil de índice é linear; quando o parâmetro g tem o valor 2, g = 2, o perfil é parabólico; quando g tende para o infinito, o perfil de fibra óptica é um índice de etapa um.

[0086] Com referência à figura 2, a fibra óptica 99 inclui o núcleo 110 e o revestimento 120 e o índice de refração dentro do núcleo tem um valor máximo n1 no centro do núcleo e o revestimento tem um índice de refração constante n2, por exemplo, igual ao valor da sílica pura. O perfil de índice de refração de acordo com a figura 2 é obtido por meio de um dopamento adequado do núcleo da fibra óptica multimodo, por exemplo, por óxido de germânio.

[0087] A fibra óptica multimodo 99 é otimizada para poder transportar alta potência, por exemplo, potência acima de 1 W, de preferência cerca de 2 W, para longas distâncias, por exemplo, distâncias superiores a 1000 metros.

[0088] A radiação eletromagnética inserida na fibra tem, de preferência, um comprimento de onda X compreendido entre 750 nm e 1000 nm e mais preferencialmente entre 800 nm e 900 nm, típico para diodos de alta potência para aplicações de potência sobre fibra; onde os fotoconversores PVs, têm eficiência de conversão da ordem de 40%, o que significa que 40% da potência óptica é transformada em energia elétrica para acionar os circuitos da unidade receptora RU (ver figura 11).

[0089] A atenuação da fibra é calculada utilizando a seguinte equação

onde a atenuação intrínseca (αinrmsica) depende do comprimento de onda da radiação eletromagnética inserida e o fator multiplicativo M depende do raio do núcleo da fibra. A equação (9) é uma simplificação da fórmula de atenuação (3) obtida incorporando os vários parâmetros mostrados na equação (4) em uma única constante multiplicativa cujo valor pode ser obtido impondo que o perfil de atenuação para uma fibra (g ^ «) de etapa é o valor encontrado geralmente na literatura. A atenuação de acordo com a equação (9), independentemente do comprimento de onda de qualquer radiação inserida na fibra multimodo, o diâmetro do núcleo e a diferença de índice de refração entre núcleo e revestimento ou da abertura numérica NA, têm um mínimo para g = 1,333.

[0090] As fibras são uma fibra multimodo com um diâmetro do núcleo compreendido entre 90 μm e 190 μm, mais preferencialmente entre 95 μm e 110 μm, e uma abertura natural NA compreendida entre 0,2 e 0,3 para melhor coincidir com as características dos conversores fotovoltaicos utilizados na potência sobre aplicações de fibras. De preferência, o diâmetro da fibra inteira pode variar de 125 μm a 500 μm, onde o diâmetro da fibra inteira dependerá da escolha do diâmetro do núcleo da fibra.

[0091] Para calcular a atenuação da fibra, a atenuação intrínseca e a constante M de acordo com a equação (9) para diferentes comprimentos de onda devem ser calculadas. Na literatura, o valor para um comprimento de onda igual a 808 nm de «int e M são conhecidos e, respectivamente, iguais a 2,5 dB/ km e 9,5.

[0092] Na Tabela 1 é relatada a atenuação intrínseca, a atenuação da fibra de índice de etapa obtida experimentalmente e a constante M calculada pelo requerente e utilizada no seguinte. Tabela 1

[0093] Usando os valores acima, a equação

foi maximizada, ou seja, o L máximo foi calculado, em função do parâmetro g, e onde Pin Foi colocado igual a Pthr, ou seja, a potência de entrada máxima acima da qual a fibra pode ser danificada.

[0094] Os outros parâmetros da equação são estabelecidos de acordo com o seguinte.

[0095] O diâmetro do núcleo da fibra foi ajustado igual a 100 μm.

[0096] A abertura numérica NA da fibra foi ajustada igual a 0,22.

[0097] A potência da radiação eletromagnética inserida na fibra multimodo 99 é limitada pela potência máxima da fonte do laser ou fonte do diodo ou pela potência limiar máxima da equação (7) acima da qual o material em que a fibra é realizada pode ser danificado. O requerente verificou que para g abaixo de cerca de 2, que - como mostrado abaixo - é o g relevante para o presente caso, a potência limiar da equação (7) é a potência a ser considerada.

[0098] Na verdade, outra possível limitação no valor de Pin não é apenas o valor da potência de entrada acima da qual a fibra pode ser danificada, mas a potência máxima que é emitida pela fonte de radiação eletromagnética disponível, como fonte de laser. Consequentemente, a potência de entrada da radiação eletromagnética está de preferência abaixo do mínimo entre o Pthr e a potência máxima disponível das fontes de radiação disponíveis Plas,

[0099] O requerente verificou que, para a faixa de parâmetros g de interesse, a potência mínima entre os dois considerados na equação (10) é sempre a potência limiar Pthr, as fontes de laser geralmente tendo disponível uma potência emitida acima de 5 W em emissão contínua.

[00100] Isso pode ser visto, por exemplo, na Figura 4, que mostra o MFD da fibra óptica multimodo de acordo com a equação (5) e o limite de potência Pthr da equação (7), ambos obtidos como função do parâmetro de perfil de índice g. Conforme ilustrado adicionalmente na Figura 4, a linha pontilhada constante linear representa a potência máxima do laser ou da fonte (que é constante e ajustada para um valor de 5 W), a curva sólida representa o limite de potência Pthr (W) como a solução da equação (7). A curva tracejada representa MFD como solução da equação (5). Para os valores "pequenos" de g, a potência limiar relevante a ser considerada é a potência limiar da equação (7), sendo a mais baixa entre a potência máxima da fonte (linha pontilhada) e a potência do limite (curva sólida). Assim, no seguinte, considera-se que o valor de Pin na equação (8) deve ser a potência de entrada limitante que é a potência limiar da equação (7).

[00101] A Figura 5 mostra dois gráficos, uma curva sólida que representa a atenuação da fibra óptica multimodo como uma função de g e uma curva tracejada representando o comprimento máximo ou distância L que uma radiação eletromagnética que possui uma potência de entrada igual à potência limiar Pthr da equação (8) e uma potência pré-estabelecida desejada PL de 30 dBm pode percorrer, novamente como função de g. O comprimento de onda X da radiação eletromagnética inserida é configurado para ser igual a 808 nm.

[00102] Como já mencionado, o mínimo de atenuação é obtido para g = 1,33.

[00103] A distância máxima alcançável L ocorre para o parâmetro do perfil de índice de g = 1.43. Neste parâmetro de índice de perfil g, a distância ou alcance L é de 2,30 km, que é a distância máxima que uma radiação eletromagnética com uma potência de entrada igual a Pthr pode percorrer dentro da fibra óptica multimodo mantendo sua potência óptica acima ou igual ao valor PL pré-estabelecido. Para uma fibra de perfil parabólica mais comum tendo g-2 a distância máxima L que a mesma radiação eletromagnética com potência de entrada igual a Pthr poderia percorrer seria de 1,78 km. Por outro lado, para fibras multimodo de índice de etapa, a distância máxima L alcançável lançando 10 W como potência em fibra óptica multimodo seria de 0,84 km. Assim, usando o perfil de índice da fibra da invenção, uma distância máxima L ou alcance é aumentada em cerca de 174% em relação a uma fibra de perfil de índice de etapa e em cerca de 29% em relação a um perfil de índice graduado com g = 2. Este resultado é confirmado pelos seguintes gráficos das Figuras 6 a 9. Os seguintes gráficos foram todos obtidos para fibras multimodo onde o diâmetro do núcleo é igual a 100 μm e NA = 0,22.

[00104] Na figura 6, o valor pré-estabelecido desejado da potência óptica PL é alterado (no exemplo acima da figura 5, uma potência desejada pré-estabelecida PL foi ajustado igual a 30 dBm). Três potências de saída diferentes são estabelecidas: 33 dBm (curvatura curta), 30 dBm (curva tracejada longa) e 27 dBm (curva sólida). A equação (8) é maximizada para os três valores da potência de saída em função do parâmetro g. Uma "distância longa" L é obtida para uma radiação eletromagnética inserida com um comprimento de onda de 808 nm na potência de entrada limiar da equação (7) para uma fibra com parâmetro ag dentro de 1,2 e 1,8. As distâncias máximas alcançáveis L estão todas acima de 1000 metros: para PL igual a 33 dBm, o melhor g é 1,56 e o máximo L é de 1,2 Km; para PL igual a 30 dBm, o melhor g é 1,43 e o máximo L é 2,35 Km e para PL igual a 27 dBm o melhor g é 1,39 e o máximo L é de 3,5 km.

[00105] Na figura 7, o comprimento de onda de entrada da radiação eletromagnética inserida na fibra óptica multimodo da invenção é alterado. Três comprimentos de onda de entrada são estabelecidos: 980 nm (linha contínua), 850 nm (linha tracejada longa) e 808 nm (linha tracejada curta). A equação (8) é maximizada para os três valores do comprimento de onda como uma função do parâmetro g, usando a Tabela 1 acima. O valor de potência óptica pré-estabelecido desejado PL é igual a 30 dBm. É obtida uma "distância longa" L (acima de 500 metros e acima de 1000 metros) para uma radiação eletromagnética inserida na potência de entrada limiar da equação (7) para uma fibra com parâmetro ag dentro de 1,2 e 1,8.

[00106] A figura 8 é analógica para a figura 7, com a diferença de que o valor de potência óptica pré-estabelecido desejado PL é igual a 33 dBm. Com esta maior potência de saída desejada, a distância alcançada ainda está acima de 1000 m.

[00107] A Figura 10 mostra três gráficos da distância máxima L para o valor g que maximiza a eq. (8) como uma função da potência de saída desejada PL para três comprimentos de onda diferentes da radiação eletromagnética inserida na fibra óptica multimodo da invenção. Como mostrado, para o alcance das potências pré-estabelecidas desejadas PL entre 25 dBm e 33 dBm, a distância L que pode ser percorrida pela radiação eletromagnética com potência de entrada igual a Pthr e mantendo essa potência acima de PL está sempre acima de 1000 m.

[00108] A Figura 9 representa o "melhor g" como uma função da potência pré-estabelecida PL, para os três comprimentos de onda acima. O melhor g é o g que dá o alcance máximo ou a distância L, ou seja, o valor de g que maximiza a equação (8). É claro que, para os valores de potência pré- estabelecidos de interesse, o parâmetro g está incluído em um faixa de 1,3 a 1,6, produzindo, consequentemente, uma fibra óptica com um perfil de índice de refração com ag nesta faixa permite obter a potência óptica desejada PL a uma distância L (onde L é> 1000 m).

Claims

1. Fibra óptica multimodo para transmissão contínua de radiação eletromagnética a alta potência, a dita fibra definindo um eixo geométrico de fibra e compreendendo um núcleo (110) e um revestimento (120) circundando o núcleo, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra de índice gradual multimodo, o perfil de índice de refração na fibra (99) seguindo essencialmente a fórmula:

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, n2 é o índice refrativo do revestimento (120), a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil, caracterizada pelo fato de que o diâmetro de núcleo 2a está compreendido entre 90 μm e 190 μm, o parâmetro g está compreendido entre 1,2 e 1,8, e a abertura numérica (NA) da fibra, onde

está compreendida entre 0,2 e 0,3, e em que a fibra óptica multimodo (99) possui um comprimento acima de 500 metros e é otimizada para transportar potência óptica contínua com potência óptica de entrada igual ou maior do que 1 W mas menor do que um valor limiar de entrada correspondente à potência máxima permitida que pode ser inserida na fibra sem causar danos.

2. Fibra óptica multimodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito revestimento (120) inclui sílica não dopada.

3. Fibra óptica multimodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito núcleo (110) inclui sílica dopada.

4. Fibra óptica multimodo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a dita fibra tem uma diferença de índice refrativo (n1-n2) entre o dito núcleo (110) e o dito revestimento (120) compreendido entre 0,0556 e 0,0725.

5. Fibra óptica multimodo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o dito parâmetro g está compreendido entre 1,3 e 1,6.

6. Método para transmitir radiação a alta potência ao longo de uma fibra óptica (99), caracterizado pelo fato de que inclui: - introduzir continuamente radiação eletromagnética tendo uma potência óptica de entrada igual ou superior a 1 W e um comprimento de onda compreendido entre 750 nm e 1000 nm em uma fibra óptica multimodo (99) tendo um comprimento superior a 500 metros, em que a dita fibra óptica multimodo (99) define um eixo geométrico de fibra e compreende um núcleo e um revestimento circundando o núcleo, e em que a fibra óptica multimodo é uma fibra óptica de índice gradual, o perfil de índice de refração na fibra seguindo essencialmente a fórmula:

onde

r é a distância do eixo geométrico da fibra, n(r) é o índice refrativo nominal como uma função de distância do eixo geométrico da fibra, n1 é o índice refrativo nominal no eixo geométrico da fibra, n2 é o índice refrativo do revestimento (120), a é o raio do núcleo, e g é um parâmetro que define a forma do perfil e está compreendido entre 1,2 e 1,8; - obter uma potência de saída de pelo menos 30 dBm depois de um comprimento de pelo menos 500 m, em que a introdução da dita radiação eletromagnética inclui a introdução de uma radiação eletromagnética tendo uma potência óptica inferior a um valor limiar de entrada.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende transmitir radiação a alta potência por um comprimento de pelo menos 1000 m.

8. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o dito comprimento de onda da radiação eletromagnética introduzida está compreendido entre 800 nm e 900 nm.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a entrada de radiação eletromagnética tem uma potência óptica de entrada igual ou superior a 2 W.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo (110) tem um diâmetro compreendido entre 90 μm e 190 μm.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo (110) tem um diâmetro compreendido entre 95 μm e 110 μm.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 11, caracterizado pelo fato de que a dita fibra óptica (99) tem uma abertura numérica compreendida entre 0,2 e 0,3.

13. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que inclui: - emitir da dita fibra óptica multimodo (99), em um comprimento de pelo menos 1000 metros, uma radiação eletromagnética tendo uma potência óptica de pelo menos 25 dBm.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que inclui: - emitir da dita fibra óptica multimodo (99), em um comprimento de pelo menos 1000 metros, uma radiação eletromagnética tendo uma potência óptica de pelo menos 30 dBm.

15. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dito valor limiar de entrada da dita potência óptica é igual a:

16. Cabo óptico (100) caracterizado pelo fato de compreender uma dita fibra óptica multimodo (99) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.