A luz que percorre um cabo de fibra ótica fica mais “gorda” com o tempo? Isso afeta a precisão do sensor?
Metaforicamente, os pulsos de luz de fato “engordam” após se propagarem por longas distâncias em uma fibra óptica. Esse fenômeno físico é conhecido na engenharia óptica como Broadening de Pulso (Pulse Broadening), cuja causa raiz é a Dispersão Cromática (Chromatic Dispersion, abreviado como CD).
Sobre o mecanismo de broadening de pulso e se ele afeta a precisão da detecção, pode-se analisar a partir dos seguintes mecanismos físicos e esquemas de detecção:
Um. Por que a luz “engorda” na fibra óptica?
Em óptica, “engordar” refere-se especificamente ao aumento da largura do pulso no domínio do tempo.
- Espectro não é absolutamente único: Qualquer pulso de luz real possui uma certa largura espectral (largura do espectro \Delta \lambda), composta pela sobreposição de muitas luzes monocromáticas de diferentes comprimentos de onda (frequências).
- Diferença de velocidade de grupo: O índice de refração do meio da fibra óptica é uma função do comprimento de onda (dispersão de material), e a distribuição do campo de luz de diferentes comprimentos de onda na estrutura da guia de onda também difere (dispersão de guia de onda). Isso faz com que luzes de diferentes comprimentos de onda tenham diferentes velocidades de grupo (v_g) na fibra óptica.
- Fórmula de broadening no domínio do tempo:
Após um pulso de luz viajar através de uma fibra óptica de comprimento L, a quantidade de broadening no domínio do tempo \Delta \tau gerada pode ser expressa como:\Delta \tau = |D| \cdot \Delta \lambda \cdot LOnde D é o coeficiente de dispersão cromática da fibra óptica (tomando como exemplo a fibra monomodo G.652 comumente usada, na janela de 1550\text{ nm}, D \approx 17\ \text{ps}/(\text{nm}\cdot\text{km})). - Situação real em escala de patch cords:
O comprimento de um patch cord de fibra óptica convencional geralmente varia de alguns metros a dezenas de metros. Nessa distância, o broadening no domínio do tempo causado pela dispersão é geralmente na ordem de femtossegundos ( \text{fs} ) ou picossegundos ( \text{ps} ), quase insignificante; somente quando o comprimento da fibra atinge vários quilômetros a dezenas de quilômetros, o broadening de dispersão atinge a ordem de nanossegundos e exibe efeitos macroscópicos.
Dois. Isso afeta a precisão da detecção?
A influência da dispersão na precisão da detecção depende do esquema da tecnologia de detecção de fibra óptica utilizada:
1. Para sistemas de detecção de grade de fibra (FBG): Totalmente inofensivo
A detecção de grade de fibra óptica é essencialmente uma tecnologia de codificação por comprimento de onda (Wavelength-encoded).
- Princípio físico: A fórmula do comprimento de onda de reflexão de Bragg para um FBG é:\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \LambdaA mudança na temperatura ou deformação externa modula diretamente o índice de refração efetivo n_{\text{eff}} e o período da grade \Lambda na região da grade, refletindo-se no deslocamento do pico do comprimento de onda de reflexão.
- Mecanismo de demodulação: O demodulador de grade de fibra óptica usa varredura espectral ou detecção discreta de comprimento de onda para detectar o pico característico da distribuição de potência óptica em função do comprimento de onda. A dispersão cromática apenas altera o pequeno atraso de tempo de diferentes comprimentos de onda de luz que chegam ao detector, mas não altera a posição do comprimento de onda central do espectro de reflexão.
- Portanto, na prática de engenharia, seja um patch cord curto de poucos metros ou uma fibra de extensão de longa distância de dezenas de quilômetros, a dispersão não causará desvio ou perda de precisão nas medições de temperatura ou deformação dos sensores FBG.
Para cenários de demodulação de comprimento de onda como este, a Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. oferece equipamentos de demodulação de alta precisão:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
Este equipamento fornece resolução de comprimento de onda de 1\text{ pm} ou 0.1\text{ pm}, suporta de 4 a 32 canais, e o processo de demodulação é baseado na análise de características espectrais, não sendo afetado pelo broadening de pulso no domínio do tempo causado pela dispersão da fibra.
2. Para sistemas de detecção distribuída baseados em tempo de voo (ToF) de pulso: Afeta
Se o sistema de detecção depende de pulsos de luz no domínio do tempo para localizar posições espaciais (por exemplo, \Phi\text{-OTDR} / Detecção Acústica Distribuída DAS, BOTDA ou OTDR convencional):
- O “engordamento” (broadening) do pulso no domínio do tempo leva diretamente à degradação da resolução espacial do sistema, ou seja, dois sinais de perturbação espacialmente adjacentes se sobreporão no domínio do tempo.
- Além disso, a forte dispersão também pode causar distorção da forma de onda do pulso e aumento do ruído de fase, o que, por sua vez, degrada a relação sinal-ruído e a precisão de localização do sistema. Portanto, sistemas de detecção de pulso distribuídos de longa distância geralmente requerem o uso de fibras de deslocamento de dispersão ou compensação de dispersão.