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Fibras ópticas O que é uma fibra óptica?
Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas O que é uma fibra óptica? Uma fibra de vidro ou plástico que têm a propriedade de guiar a luz ao longo do seu eixo Um cabo de fibra é constituído por 3 camadas: núcleo (core) bainha (cladding) revestimento

Fibras ópticas qc Ocorre Reflexão Total Interna quando
Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas Ocorre Reflexão Total Interna quando em que n0 e n1 representam os índices de refracção do núcleo e da bainha, respectivamente. Nesta situação a luz é totalmente reflectida no núcleo qc

Instrumentação Optoelectrónica
Fibras ópticas O fenómeno de reflexão total interna implica que o índice de refracção do meio incidente (o núcleo) seja superior ao índice de refracção do da bainha. qc é o chamado ângulo crítico. O seu valor decorre da Lei de Snell aplicada na situação limite em que o ângulo de refracção é 90º. qc

Fibras ópticas Seja nm o índice de refracção do meio que envolve a fibra óptica. Temos então: O produto nm·sinqi corresponde à abertura numérica da fibra (NA): qt qi qc

Fibras ópticas Quando a diferença relativa de índices de refracção, definida por for pequena, podemos utilizar a aproximação Tipicamente, D ~ 1% o que resulta em NA ~ 0.2, ou seja um cone de aceitação de cerca de 10º qc qi qt

Fibras ópticas – Campos evanescentes
Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas – Campos evanescentes Numa situação de reflexão total interna, o campo eléctrico da onda não se anula na interface núcleo – bainha. Isto, apesar de não haver propagação de raio refractado. A amplitude da onda deve tender para zero segundo a direcção y. Se a amplitude decair exponencialmente com a distância y trata-se de um onda evanescente y Adaptado de

Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas – Campos evanescentes Consideremos uma onda a incidir no interface núcleo – bainha segundo um ângulo q0 inferior ao ângulo crítico qc. A onda transmitida propaga-se segundo um ângulo q1 de acordo com (só examinamos a dependência espacial da onda): De acordo com a Lei de Snell: y q0 q1 z n1 n0

Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas – Campos evanescentes Então A reflexão total interna ocorre para qc < q0 < p/2. Para valores de q0 superiores ao ângulo crítico qc, o ângulo q1 torna-se imaginário. De facto: y q0 q1 z n1 n0 Como

Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas – Campos evanescentes No intervalo 0 ≤ q ≤ p/2 temos 0 ≤ sin q ≤ 1. Logo sin q0 / sin qc > 1 quando q0 > qc. Isto permite concluir que cos q1 é uma função imaginária para q0 > qc. y q0 q1 z n1 n0 Verifica-se que a onda na região da bainha é uma onda evanescente A solução +i·a resulta num onda com amplitude a crescer exponencialmente o que, claramente, não tem significado físico

Instrumentação Optoelectrónica Fibras ópticas – Campos evanescentes A constante de decaimento a·kt corresponde ao inverso da distância de penetração x: y q0 q1 z n1 n0 A onda evanescente penetra uma distância significativa na bainha que deverá ter uma espessura suficiente para a amplitude da onda atenuar para um valor próximo de zero. Exemplo: ângulo próximo do ângulo crítico; fibra de sílica; l = 1.3 mm: x ~ 10 mm. Uma parte considerável da energia da onda que se propaga na fibra óptica é transmitida pela onda evanescente. Tal como o núcleo, a bainha deve ser construída com um material (vidro) de elevada qualidade óptica para atenuar as perdas de transmissão.

Tipos de Fibras ópticas
Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas Multimodo (Multi-mode): suportam centenas de trajectórias para a luz Monomodo (single-mode): suportam uma única trajectória para a luz

Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas nb multimodo step-index nn nb monomodo step-index nb nn nb nb GRIN nn nb GRIN – graded index

Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas nb multimodo step-index nn nb

Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas monomodo step-index nb nn nb

Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas O número possível de modos numa fibra óptica cilíndrica pode ser avaliado através do parâmetro V. Se a for o raio do núcleo da fibra, para uma fibra do tipo step – index tem-se Para V menor que 2.4 só ocorre propagação de um modo Para valores elevados de V o número de modos (incluindo os 2 estados de polarização) é

Exemplo do número de modos. l = 850 nm
Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Fibras ópticas Exemplo do número de modos. l = 850 nm Fibra step-index de Silica: nc = 1.452, nb = (NA = 0.205) Fibra GRIN SELFOC com a mesma abertura numérica diâmetro (mm) 2.5 50 200 400 1000 Nº de modos (fibra step-index) 2 1.4 x 103 22 x 103 92 x 103 2.4 x 106 Nº de modos (fibra GRIN) 1 716 11 x 103 46 x 103 1.2 x 106 Maior número de modos implica maior transmissão de luz

Manutenção do ângulo 2   2  2  
Instrumentação Optoelectrónica Manutenção do ângulo 2     2  2

Manutenção do ângulo Numa fibra ideal os ângulos de incidência e de saída são iguais Superfícies ásperas, fibras dobradas e outras imperfeições resultam em alterações no cone de saída exemplo: raio crítico de dobragem Fonte: website RPI

Atenuação A atenuação numa fibra óptica é medida em dB/km e é definida por: A fibras são feitas de “vidro”. Normalmente sílica fundida (SiO2) de elevada qualidade O material contém algumas impurezas residuais. A sua presença é normalmente controlada As perdas devem-se principalmente a: - Dispersão de Rayleigh (~ -4) - Absorção

Absorção e dispersão numa fibra óptica
Instrumentação Optoelectrónica Atenuação absorção IR dispersão de Rayleigh transmissão 89% Absorção e dispersão numa fibra óptica

Tipos de Dispersão Modal (intermodal)
Instrumentação Optoelectrónica Tipos de Dispersão Modal (intermodal) atraso temporal resultante de diferenças nos trajectos ópticos Material (ou cromática) n(l): tempos diferentes para atravessar a fibra devido às diferenças de percurso óptico que resultam da dispersão da luz Polarização velocidades distintas para os dois modos ortogonais de polarização Intramodal variações na distribuição de campo (importante em fibras monomodo Não-linear dependência do índice de refracção com a intensidade do campo electromagnético As fibras GRIN apresentam menor dispersão modal porque os trajectos ópticos são mais curtos

Dispersão Modal A luz propaga-se a uma velocidade finita
Instrumentação Optoelectrónica Dispersão Modal A luz propaga-se a uma velocidade finita Raio mais rápido Raio mais lento Raio mais rápido: trajecto ao longo do eixo da fibra (modo axial) Raio mais lento: o que entra na fibra segundo o maior ângulo permitido Existe uma diferença de trajecto óptico e logo e tempo de propagação entre estes 2 raios

A dispersão modal aumenta com:
Instrumentação Optoelectrónica Dispersão Modal A dispersão modal aumenta com: L ~ NA2 A dispersão modal é a principal causa de dispersão nas fibras step-index

Dispersão Modal exemplo: step index ~ 24 ns·km -1 GRIN ~ 122 ps·km-1
Instrumentação Optoelectrónica Dispersão Modal exemplo: step index ~ ns·km GRIN ~ 122 ps·km-1

Dispersão dos modos de polarização
Instrumentação Optoelectrónica Dispersão dos modos de polarização As fibras monomodo suportam os dois modos ortogonais de polarização e preservam o estado de polarização do sinal transmitido Os modos de polarização viajam com velocidades diferentes o que resulta em dispersão É medida em Este fenómeno é evidente para taxas de transmissão superiores a 10Gbps

Características das fibras ópticas
Instrumentação Optoelectrónica Características das fibras ópticas Monomodo step-index Multimodo GRIN Multimodo step-index

Instrumentação Optoelectrónica Características das fibras ópticas Monomodo step-index O tipo de fibra mais fino com um diâmetro de núcleo entre 5 e 10 mm Baixa atenuação (cerca de 0.2 dB/km) Ideais para comunicações a longas distâncias Diâmetro pequeno significa ângulo de aceitação de luz pequeno. Estas fibras não são apropriadas para câmaras

Instrumentação Optoelectrónica Características das fibras ópticas Multimodo GRIN Diâmetro de núcleo entre 50 e 100 mm Sinal limpo devido à variação contínua de índice de refracção mas com elevada atenuação devido à espessura da fibra Ideais para comunicações a curtas distâncias, redes, etc.

Instrumentação Optoelectrónica Características das fibras ópticas Multimodo step-index Diâmetro de núcleo entre 50 e 1500 mm Atenuação elevada (cerca de 2.5 dB/km) Distorção elevada Não são adequadas para comunicações ópticas. Ideais para câmaras e iluminação Ângulo de aceitação de luz elevado

Aplicações das Fibras Ópticas na Medicina
Instrumentação Optoelectrónica Aplicações das Fibras Ópticas na Medicina Bundles de Fibras Ópticas Sistemas de Imagiologia Endoscópicos Baseado na apresentação feita por Ana Patrícia Matos, Elisabeth Ferreira e Ivo Moreno na Disciplina de Instrumentação Optoelectrónica em Junho de 2007

Bundles de Fibras Ópticas - Introdução
Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas - Introdução Bundle = dezenas ou centenas de fibras ópticas flexíveis inseridas num encapsulamento cilíndrico de plástico. Bundles cujas fibras individuais não estejam ordenadas são chamados guias de luz usados para iluminar Bundles cujas fibras estão ordenadas chamam-se bundles ordenados usados para transmissão de imagem Ambos os tipos de bundles tornaram possível a construção dos primeiros fibroscopios (de imagem) e, mais tarde, endoscópios médicos

Bundles de Fibras Ópticas
Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Bundles não ordenados para guias de luz As fontes de luz ordinárias não emitem luz capaz de ser focada (por meio de lentes) numa área pequena (<1mm) correspondente ao core de uma única fibra As fibras com maiores diâmetros (>1mm) têm flexibilidade reduzida Solução: Agregar num único “pacote” (bundle) um conjunto de considerável de fibras ópticas finas  Guia de Luz

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Bundles não ordenados para guias de luz Guias de luz (aplicados à medicina): Formados por fibras ópticas num arranjo aleatório Bastante flexíveis Apresenta uma área considerável para entrada de luz Necessita de lâmpadas de elevada intensidade (halogéneo, mercúrio,…) Um sistema simples de lentes foca a luz na extremidade de entrada da fibra É conveniente incluir um filtro de IR para evitar o aquecimento da fibra (devido à elevada potência da lâmpada) As fibras individuais são coladas umas às outras nas extremidades e permanecem livres no resto do comprimento. Ficam assim impedidas de escapar do bundle. O bundle permanece flexível e um invólucro plástico é usado para o proteger

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Bundles não ordenados para guias de luz Guia de luz instalado na estação de metro de Potsdamer Platz, Berlim

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Conceitos Gerais Parâmetros que influenciam a transmissão de luz: Área efectiva de transmissão de cada fibra: Cada fibra: - Núcleo (15-50 µm) - Revestimento (5-10 µm) – transmite pouca luz Maximizar a transmissão da luz: Usar no fabrico do bundle fibras cujo núcleo apresente um elevado diâmetro e um revestimento fino.

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Conceitos Gerais Parâmetros que influenciam a transmissão de luz: Abertura Numérica (NA): Numa fibra óptica, a eficiência de captação de luz de uma fonte extensa é proporcional a (NA)2. Maior NA  Maior eficiência na captação de luz

Bundles de Fibras Ópticas Não Ordenados
Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Não Ordenados Conceitos Gerais Parâmetros que influenciam a transmissão de luz: Material de fabrico: O plástico não é adequado a lâmpadas de maior intensidade (devido ao aquecimento da entrada da fibra) Tipo de luz usada: A propriedade de coerência da luz laser origina efeitos de interferência A superfície poderá aparecer iluminada de forma pontilhada  Luz laser inadequada como fonte de luz para obtenção de imagens

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Não Ordenados Bundles especiais Beam Shaping Bundles – iluminação em sistemas médicos Um conjunto de fibras ópticas pode ser disposto em padrões distintos nas duas extremidades a fim de alterar a formatação espacial do feixe de luz Quando usados para iluminação em instrumentação médica, deve-se procurar que a forma da extremidade de entrada maximize a captação de luz e a de saída que proporcione uma iluminação o mais uniforme possível

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Não Ordenados Bundles especiais Beam Shaping Bundles – Guias Y Dois bundles de fibra óptica podem ser combinados numa extremidade e permanecer separados noutra. São usados para separar ou combinar raios de luz As fibras individuais são agrupadas num conjunto bifurcado de fibras – o guia Y Mostra-se que, se a NA das fibras individuais for considerável, a eficiência do guia Y a captar a luz é bastante elevada O guia Y pode ser usado para medir a reflectividade ou a luminescência de uma amostra

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Bundles ordenados para dispositivos de imagem As fibras ópticas podem ser alinhadas de forma exacta num bundle de forma a que a ordem destas em ambas as extremidades seja a mesma Bundle ordenado (bundle coerente)

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras Ópticas Bundles ordenados para dispositivos de imagem As fibras individuais num bundle ordenado têm que ser revestidas. Fibras não revestidas deixariam escapar a luz para fibras circundantes  imagem de menor qualidade Tal como nos bundles não ordenados, as fibras apenas são unidas nas extremidades  maior flexibilidade Bundles ordenados podem ser inseridos num endoscópio Dentro do corpo do endoscópio, um guia de luz não ordenado ilumina o objecto e o bundle ordenado capta e conduz a imagem.

Bundles Ordenados Transmissão de imagem
Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem Parâmetros que influenciam a qualidade da imagem: Elevada Iluminação: As fibras devem ter NA elevada para uma maior qualidade de imagem O diâmetro do núcleo deve ser elevado e a espessura da camada de revestimento (D-d) reduzida  É transmitido o máximo de luz do objecto para o observador. O campo óptico do núcleo não está totalmente confinado a este; algum dispersa-se pela camada de revestimento Caso a camada seja demasiado fina, a luz é transmitida para outras fibras  deterioração da imagem. A espessura da camada de revestimento (D-d) não pode ser inferior a um certo mínimo

Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem Parâmetros que influenciam a qualidade d imagem: Elevada Resolução: Uma resolução elevada permite observar uma imagem com maior detalhe Num bundle, a resolução é determinada pelo diâmetro d dos núcleos das fibras O número de linhas (por mm) que podem ser transmitidas por um bundle é limitado a cerca de 1/(2d). Mais linhas, maior resolução  Maior resolução requer menor diâmetro (d) do núcleo

Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem Núcleo largo e revestimento fino são necessários para obter uma iluminação elevada Um revestimento fino conduz a fugas de luz dos núcleos A espessura do núcleo (e do revestimento) deve ser reduzida de forma a obter uma maior resolução  Os requisitos não podem ser simultaneamente satisfeitos

Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem Compromisso: tipicamente, d ~10-20 µm e (D-d)/2 ~1,5-2,5 µm A área ocupada pelos núcleos pode ser inferior a 50% da área total da secção do bundle Existe um limite máximo para a qualidade de luz que pode ser transmitida por um bundle São necessárias fibras ópticas de elevada qualidade para obter um bundle com elevada resolução espacial e boa transmissão de luz

Bundles Ordenados Problemas na transmissão da imagem de um objecto linear Orientação da linha relativamente ao bundle: Se alinha objecto for paralela a uma linha de fibras no bundle, a linha imagem é uma reprodução adequada do objecto Se a linha objecto tem uma orientação diferente teremos 3 linhas do bundle a transmitir luz o que resulta numa imagem distorcida

Bundles Ordenados Transmissão de imagem – Limitações de Engenharia
Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem – Limitações de Engenharia Para além das limitações na transmissão de imagem impostas pela óptica, também existem limitações que resultam dos processos de fabrico (limitações de engenharia) Luz Difusa: Causada pela luz de fundo indesejada A luz difusa é transmitida pelos revestimentos das várias fibras Esta luz é transmitida ao longo do bundle e introduz um nível indesejado de luz de fundo  diminui o contraste da imagem transmitida

Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem – Limitações de Engenharia Defeitos: Durante o processo de fabrico e de polimento (das extremidades) as fibras podem ser danificadas ou partidas Fibras danificadas não conduzem luz, o que origina pontos negros na imagem final A presença destes defeitos constitui um padrão de ruído fixo que diminui a qualidade da imagem transmitida

Instrumentação Optoelectrónica Bundles Ordenados Transmissão de imagem – Limitações de Engenharia Ordenação: No processo de fabrico, algumas fibras podem ser deslocadas relativamente à sua posição especificada A ordem das fibras à entrada já não será igual à da saída  A qualidade da imagem será menor Degradação: Os bundles usados em endoscopia serão sujeitos a acções mecânicas. As fibras individuais não são tão resistentes como as fibras usadas em telecomunicações. São mais susceptíveis a degradação mecânica Introduzem progressivamente dano no bundle  diminuição progressiva da qualidade da imagem transmitida. Esta é a causa que limita o tempo de vida útil dos endoscópios

Bundles de Fibras ópticas
Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras ópticas Fibroscópios e Endoscópios Ao bundle que conduz a imagem, são acopladas às extremidades sistemas de lentes Permite focar objectos e imagens Ao fibroscópio podem ser agregados guias de luz de forma a iluminar o objecto.

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras ópticas Fibroscópios e Endoscópios

Instrumentação Optoelectrónica Bundles de Fibras ópticas Fibroscópios e Endoscópios Endoscópio = fibroscópio usado para observar o interior do corpo Pode apresentar ainda pequenos canais que permitem a introdução de pequenos instrumentos mecânicos ou de líquidos no interior do corpo.

Fibroscópios e Endoscópios
Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Esquema Funcional Lente conectada à extremidade distal A imagem formada é transmitida até à extremidade proximal, através do feixe receptor de imagem (revestido pelo feixe guia de luz) Sistema de lentes (sistema óptico de visualização) na extremidade proximal Câmara fotográfica/vídeo conectada à extremidade proximal – imagem obtida pode ser gravada

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Bundles de Fibra Óptica: Novos Métodos Ópticos Fibroscópios Finos e Ultrafinos Finos: 1-2 mm diâmetro; fibras individuais (5 μm Ø) Ultrafinos: menos de 1 mm diâmetro; fibras individuais (3-4 μm Ø) Ex.: Angioscópio – tem de garantir: 0.125 mm - visualização do sistema arterial cardiovascular (80%) - diâmetro endoscópico pretendido: menos de 2 mm - elevada resolução espacial (0.1 mm) - profundidade de campo: 20 mm Ver uma pequena sutura; imagem – o feixe receptor de imagem de um fibroscopio fino

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fibroscópios Ampliadores Ampliação - razão entre o tamanho do objecto e o da respectiva imagem - proporcionada pela lente ocular e pela lente objectiva quanto + próximos estiverem os objectos, > ampliação Incorporação de um mecanismo especial de focagem no endoscópio que permite “colocar o objecto” a 2 mm da objectiva obtendo-se ampliações de 10 vezes Já q o objecto pode parecer maior do que aquilo que é na realidade Estão em desenvolvimento endoscópios capazes de obter ampliações de 170 vezes

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Vários subsistemas: Endoscópio Fontes de alimentação Subsistemas auxiliares

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Constituídos por 3 partes: Tubo de inserção – extremidade distal Secção de controlo Cabo de conexão

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Extremidade distal inclui: 1 ou 2 guias luminosos Feixes ópticos Lente objectiva/Sistema de lentes – pode conter prisma associado Outras saídas – irrigação, aspiração… Saída de ar/água Permite limpar a janela que resguarda os dispositivos anteriores, durante a análise

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Porção flexível Mantém unidos os feixes ópticos, os guias luminosos e os tubos auxiliares Grelha metálica - Rigidez Última porção pode ser mais flexível – permite torção Envolvida por material plástico biologicamente inerte

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Secção de Controlo Componente óptica de visualização Controladores Ligação a cabos auxiliares - ar, água, fármacos,… Ligação a tubos de alimentação – da fonte luminosa, para sucção,… Componente óptica – Ponto focal fixo ou ajustável

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Fonte Luminosa Intensidade elevada Gama de c.d.o. apropriada Deve operar a temperaturas elevadas Pouca longevidade Lâmpada de Quartzo-Halogénio Lâmpada de Mercúrio ou Xénon

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fundamentos Dispositivos Mecânicos Auxiliares Pinças ou brocas (metal) – Remoção de estruturas estranhas do organismo Pinças para biópsia (metal) Dispositivos para fazer cortes Dispositivos para remoção de pólipos - calor fornecido por uma corrente de frequência elevada

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Variantes Endoscópio Convencional Gama de transmissão: 0.4 – 0.9μm Resolução: 3 – 5 linhas/mm Ampliação: 1 – 10X Distância de profundidade do foco: 2 – 50mm Campo de visão: 10º - 50º. Ângulo de torção da extremidade distal: varia entre os -90º e os +90º

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Variantes Endoscópio Fino Diâmetro externo: 1 – 3mm A qualidade da imagem depende do n.º de fibras ópticas num de 3mm Ângulo de torção maior – utilizam-se cateteres ou fios metálicos como auxílio Fragilidade – Fibras podem quebrar/dobrar Esterilização difícil – passagem do tubo auxiliar dificultada Tubo de inserção descartável

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Variantes Endoscópio Ultrafinos Diâmetro externo: até 1mm A qualidade da imagem depende do n.º de fibras ópticas com 2 – 5μm cada Menor resolução Extremidade distal tem menos de 0.3mm Não possuem tubo auxiliar – Não podem ser torcidos Aplicações: cardiologia, ginecologia, oftalmologia, medicina dentária, neurocirurgia, etc.

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Videoendoscopia Inicialmente… Má qualidade das imagens Pequena câmara na extremidade distal Localização da área pelo feixe de fibras Actualmente… Feixe de fibras de maior resolução Incorporação de um CCD x1000 elementos - na extremidade distal Visualização de imagens num ecrã em tempo-real Resolução maior – nº de fibras + tamanhos dos pixeis do CCD (4μm) CCD de cores.

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Videoendoscopia Resultados comparáveis aos obtidos em fibroscópios Dificuldades em incorporar CCDs em endoscópios finos/ultrafinos Área dos CCDs usados: 1 cm2

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fluorescência Usada para diagnóstico numa determinada área do tecido – evidenciar áreas Luz enviada através de uma fibra óptica (lasers UV e azuis) A luminescência é captada e enviada por outra fibra óptica para processamento Filtro incorporado na componente óptica de visualização Desvantagem : interferência por parte da autofluorescência

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Fluorescência Natureza do tecido nem sempre é clara – não se observam detalhes finos Introdução de Corantes Aumento do contraste Absorções selectivas Reacção com determinados tipos de células Corante vermelho Congo : usado para identificar células secretoras de HCl no estômago

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Electrocirurgia e Microondas Desenvolvidos a pensar na coagulação Electrocirurgia Introdução de um eléctrodo em forma de anel através do tubo auxiliar Corte feito por fio aquecido por corrente a elevada frequência (105Hz) – se for menor provoca contracção muscular Microondas Introdução de um espigão no tecido Usadas com o mesmo objectivo ou para deter hemorragias internas Útil em órgãos muito irrigados, como é o caso do fígado.

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios Ultrassons Endoscopia Ultrassonografia – efeito Doppler Ligação de um dispositivo à extremidade distal que permite realizar esta operação Já foram desenvolvidos sistemas destes com apenas 1 a 2 mm - endoscópios finos

Instrumentação Optoelectrónica Fibroscópios e Endoscópios PILLcam - exemplo Câmara do tamanho de uma drageia Percurso de 5h pelo tracto gastrointestinal Baterias para providenciar iluminação e gravação dos vídeos durante a viagem Paciente não necessita permanecer na unidade de saúde durante esse período Imagens adquiridas por transmissão rádio UHF Defecado ---- Descartável

Biosensores de Fibra Óptica
Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Os sensores de fibra óptica baseiam-se em variações de intensidade ou de fase Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors – Wolfbeis - CRC Press, Inc. © 1991

Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Nos sensores extrínsecos, a fibra óptica é empregue como canal de transmissão para conduzir a luz até aos elementos sensores. Pode-se utilizar a Lei de Beer-Lambert para descrever as suas propriedades Num sensor intrínseco é a própria fibra que actua como elemento sensor A fase, a modulação e a intensidade podem ser moduladas pelo analito de interesse Um sensor directo mede as propriedades ópticas intrínsecas do analito Um sensor indirecto mede a absorvância ou a fluorescência de uma sonda ou de um corante indicador imobilizado Introduction to Biophotonics – Prasad - John Wiley & Sons © 2003 Biosensors: an Introduction – Eggins - John Wiley & Sons © 1996

Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Os sensores possuem geralmente uma fibra para a fonte de luz e uma fibra de retorno proveniente de um espectrómetro Se o sensor medir uma variação de fase terá que possuir uma fibra de referência e uma fibra sensor Na presença do analito ocorre uma variação num parâmetro óptico da fibra sensor, o que resulta numa diferença de fase entre as duas fibras Introduction to Biophotonics – Prasad - John Wiley & Sons © 2003 Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors – Wolfbeis - CRC Press, Inc. © 1991

Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Configuração em ângulo recto para medir dispersão (scattering) e fluorescência Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors – Wolfbeis - CRC Press, Inc. © 1991

Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Sensores de onda evanescente Utilizam a interacção com o campo electromagnético da onda evanescente Diferentes esquemas de detecção: Técnicas de conversão de frequência Excitação de fluorescência Geração de segunda harmónica Acoplamento da onda evanescente num acoplador direccional Espectroscopia da onda evanescente Introduction to Biophotonics – Prasad - John Wiley & Sons © 2003

Instrumentação Optoelectrónica Biosensores de Fibra Óptica Sensores de onda evanescente - acoplamento Duas fibras estão posicionadas de modo a que os seus campos evanescentes se sobreponham Quando ocorre uma variação no índice de refracção na região entre as duas fibras, em consequência do processo de biodetecção, as condições de transferência de potência mudam Há variação na intensidade de luz à saída de uma das fibras Introduction to Biophotonics – Prasad - John Wiley & Sons © 2003 Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors – Wolfbeis - CRC Press, Inc. © 1991

Comunicações por Fibra Óptica
Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Esta apresentação segue as Fibre Optic Communications Lecture Notes do Prof. Walter Johnstone, Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Stathclyde; Glasgow, produzidas para a OptoSci Ltd.

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Link de comunicações ópticas ponto a ponto

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Porquê fibra óptica? Largura de banda elevada Baixa atenuação Atenuação em função da frequência: par entrançado de cobre, cabo coaxial e fibra óptica

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica De forma a permitir a normalização dos conectores e terminações de fibra óptica, o diâmetro externo das fibras de comunicações foi normalizado nos 125 mm.

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Atenuação Devido à atenuação a potência à saída de 1 km de fibra óptica, Pout, será uma fracção k da potência à entrada, Pin A razão de potências para L km de fibra é Expressa em dB

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – Absorção Intrínseca Absorção de fotões para as transições electrónicas e vibracionais do material constituinte da fibra: dióxido de Silício (sílica) SiO2. Ocorre para comprimentos de onda curtos (UV e visível). A absorção para as bandas vibracionais das ligações Silício – Oxigénio é uma componente fundamental da absorção no Infravermelho

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação - Absorção Extrínseca Absorção de fotões para as transições electrónicas dos dopantes utilizados para aumentar o índice de refracção do núcleo da fibra (ex: germânio, fósforo). Este mecanismo soma uma pequena contribuição à absorção total por processos de absorção intrínseca. Absorção por impurezas como iões metálicos de transição (Fe, Cu, Cr e Co) e pela água. A absorção por iões era responsável pela elevada atenuação das fibras disponíveis no início dos anos 1970s. A absorção pela água era a causa do pico de atenuação nos 1400 nm das fibras disponíveis a meio dos anos 1970s. Absorção por defeitos estruturais no vidro: átomos em falta na rede cristalina, clusters densos de átomos Os processos de fabrico actuais eliminaram estes dois últimos mecanismos

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação - Scattering O scattering observado em fibras ópticas segue o modelo de Rayleigh. A dependência da secção eficaz da dispersão de Rayleigh é com o inverso da quarta potência do comprimento de onda (l-4). A figura mostra a dependência com o comprimento de onda dos principais mecanismos de atenuação em fibras ópticas

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – Dependência com o comprimento de onda Nas fibras do início dos anos 70, o mecanismo dominante de atenuação eram a absorção por iões metálicos. A atenuação mínima ocorria na região dos 820 nm. Na altura estavam disponíveis lasers de GaAs que emitiam nessa região. Os fotodíodos de silício possuem uma boa resposta entre 800 e 900 nm. Por estas razões os 820 nm foram inicialmente o comprimento de onda preferido para comunicações ópticas. Os sistemas baseados neste comprimento de onda constituem os sistemas de primeira geração

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – Dependência com o comprimento de onda Com a melhoria dos processos de fabrico, as impurezas de iões metálicos foram removidas das fibras no final dos anos 1970s. A curva de atenuação passou a exibir dois mínimos (< 0.5dB/km) nos 1300 nm e 1550 nm. Estas atenuações representavam, relativamente aos sistemas de 820 nm, um ganho potencial, em termos de distância de transmissão, superior a 10. Tal levou ao desenvolvimento de díodos laser e fotodetectores para operar nestes comprimentos de onda (InGaAsP). Estes sistemas de comunicação óptica operam são conhecidos como sistemas de segunda (1300 nm) e terceira geração (1550nm)

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – Dependência com o comprimento de onda No início dos anos 1980s o processo de fabrico das fibras conseguiu remover as impurezas de água. Actualmente a atenuação é dominada pelos processos de scattering e absorção intrínsecos (pelo SiO2). Existe ainda uma contribuição muito pequena devido à absorção pelos dopantes empregues para aumentar o índice de refracção da fibra. As fibras actuais apresentam perdas de 0.3 db/km (1300 nm) e 0.2 dB/km (1550). Melhorias futuras só podem ser obtidas com materiais diferentes

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – Perdas por radiação Qualquer guia de luz não totalmente direita, emite radiação. A luz percorre a curva com uma velocidade de fase determinada pelo índice de refracção. De modo a conservar a forma da frente de onda a velocidade da luz deveria aumentar para o exterior da curva. Então, se considerarmos o campo evanescente, teria que haver um ponto crítico a partir do qual a velocidade de fase excederia a da onda plana na bainha da fibra. O campo electromagnético “resiste” a este fenómeno irradiando potência a partir da fibra, o que causa perdas por radiação, com um coeficiente ar: R é o raio de curvatura. C1 e C2 são constantes independentes de R Surgem ainda perdas adicionais em resultado da dobragem das fibras no processo de inserção no encapsulamento. As perdas totais de cablagem e trajecto atingem 0.1 db/km. Os fabricantes especificam sempre a atenuação total (entre 0.25 e 0.5 db/km)

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – outros mecanismos O comprimento máximo das fibras permitido pelos processos de fabrico é de alguns kms. Distâncias maiores exigem ligações entre fibras por fusão de fibras ou por conectores. As perdas por fusão são da ordem de 0.1 dB. As perdas por conector variam entre 0.5 e 1.0 dB. Também existem perdas nas terminações das fibras: entre a fonte e a fibra e entre a fibra e o detector. O acoplamento da luz para a fibra requer lentes astigmáticas e muitas vezes asféricas e introduz perdas entre 2 e 3 dB. Na extremidade final o acoplamento de luz ao detector é simples e a s perdas são desprezáveis

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – implicações Num sistema digital de comunicações ópticas, são lançados na fibra impulsos de luz com determinada potência de pico e energia total. O processo de atenuação faz com que a potência e a energia dos impulsos decresça exponencialmente com a distância percorrida. Logo, a distância de transmissão não pode ser aumentada indefinidamente já que a atenuação limita o comprimento de ligação para o qual a potência de pico do sinal está acima da detectividade do receptor, a qual é determinada pela SNR para uma data taxa de erros de bit. O comprimento de ligação limitado pela atenuação depende da potência lançada, da sensibilidade do receptor e de todas as perdas da fibra. O projectista deve ainda incluir uma margem de segurança para acomodar a degradação dos componentes e o re-routing futuro da fibra devido à adição de novas juntas de fusão em consequência de desenvolvimentos de Engª Civil ou de danos acidentais. A margem de segurança normalmente empregue é de 6 dB

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – implicações Exemplo: Qual a distância máxima entre repetidores para o seguinte sistema? Potência lançada = 2 mW (i.e. + 3 dBm) Atenuação da fibra = 0.65 dB/km Perdas totais em juntas = 2 dB Penalizações de potência = 2 dB Margem do sistema = 6 dB Sensibilidade do receptor = 50 nW (i.e -43 dBm) Nota: O que é um dBm? É uma unidade padrão de medição dos níveis de potência em relação a uma referência de 1 mW

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Mecanismos de Atenuação – implicações Cálculos Perda total tolerável = 3 – (-43) = 46 dB Juntas, penalizações e margem de segurança = 10 dB Perda total tolerável da fibra = 36 dB Distância máxima entre repetidores = 36/0.65 = 55 km

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Limites de dispersão, alargamento de impulsos e taxa de transmissão Nas comunicações ópticas digitais são lançados na fibra impulsos de luz que representam valores lógicos 1. Cada bit é alocado na sua própria slot de tempo ou período de bit (T) que é igual ao inverso da taxa de transmissão (Bit Rate –BR). Na maioria dos sistemas os impulsos ópticos à entrada são muito mais estreitos que o período de bit e são temporizados de forma a corresponderem ao centro desse período. À medida que viaja na fibra, o impulso alarga no tempo. Tal resulta na diminuição da sua potência de pico e da energia total transportada no seu período de bit e na transferência de potência para períodos de bit adjacentes. O alargamento aumenta com a distância e pode resultar em erros de leitura no receptor. Assim, de forma a minimizar os erros ou a alcançar uma taxa de erros especificada é necessário limitar a magnitude do alargamento do impulso relativamente ao período de bit.

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão em fibras monomodo Mesmo para fontes laser o impulso de luz, lançado na fibra óptica, possui uma largura espectral Dl (largura de linha da fonte – FWHM do espectro da fonte). A maioria das fontes usadas em telecomunicações possuem espectros gaussianos para os quais o valor rms da largura de linha é dado por: Dl(rms) = 0.425·Dl(FWHM) Já sabemos que a velocidade de propagação da energia dentro de um modo depende o comprimento de onda. Logo, as diferentes componentes espectrais do impulso propagam-se a velocidades diferentes – dispersão intramodal

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão em fibras monomodo Para fontes com distribuições espectrais gaussianas, os impulsos recebidos possuem distribuições gaussianas no tempo. A largura do impulso detectado é dada por: t1 = D·L·Dl com t1 a largura rms do impulso (em ps) após o comprimento L (em km) Dl é a largura rms de linha da fonte (em nm) D é o coeficiente de dispersão da fibra (em ps/km·nm) Se a largura rms do impulso de entrada for t0 então a largura total do impulso de saída é

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão em fibras multimodo step-index Nas fibras multimodo, a energia dos impulsos ópticos divide-se entre os diferentes modos de propagação permitidos. Aos diferentes modos correspondem diferentes trajectos ópticos o que resulta em dispersão temporal dos impulsos. Na fibra step-index a dispersão temporal corresponde à diferença entre os tempos de propagação para o modo com incidência igual ao ângulo crítico e o modo longitudinal. Esta diferença é dada por com n2 o índice de refracção do núcleo, n1 o índice de refracção da baínha, Dn = (n2 – n1) e L o comprimento da fibra.

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão em fibras multimodo step-index Das equações que apresentámos conclui-se que a dispersão intermodal só depende dos índices de refracção da fibra e é independente do comprimento de onda e da largura de linha da fonte. Estas equações são úteis para calcular o limite superior do alargamento do impulso. Na prática é necessário trabalhar com larguras rms e levar em conta a distribuição de energia entre os modos. A expressão empírica para o alargamento do impulso por efeitos intermodais é com D o coeficiente rms de alargamento intermodal (em ns/km). Tipicamente varia entre 10 e 50 ns/km para fibras multimodo step-index

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão em fibras multimodo step-index Nas fibras multimodais o alargamento dos impulsos resulta quer da dispersão intramodal quer da dispersão intermodal. Para impulsos gaussinaos e fontes com espectros gaussianos podemos calcular a largura rms do impulso de saída por:

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão: implicações Pode-se demonstrar que para perfis temporais gaussianos, não se deve permitir uma dispersão para uma largura rms superior a a·T de forma a ter penalizações de potência e taxas de erros de bit aceitáveis. Normalmente considera-se igual a a 0.25. O valor máximo da taxa de bits (BR) é dado por com C uma constante para um dado sistema, designada por produto distância - bit rate (BR·L)

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão: implicações Exemplo Considere o seguinte sistema: Fibra – monomodo para 1300 nm Coeficiente de dispersão intramodal = 5 ps/km·nm Fonte – Laser com largura de linha (rms) = 5 nm Dispersão máxima permitida = 0.25 T a) Qual o limite do comprimento de ligação para uma taxa de 200 Mbit/s? b) Qual a taxa de bits máxima numa ligação com um comprimento de 40 km?

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão: implicações Exemplo – a)

Instrumentação Optoelectrónica Comunicações por Fibra Óptica Dispersão: implicações Exemplo – b)

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