5. Fibras Ópticas
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7/21/2019 5. Fibras pticas
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Reflexo interna total Constituio de uma fibra
Tipos de fibras
Modos de propagao numa fibra
Disperso Atenuao
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Fibraptica
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ReflexoInterna
Total
(RIT)
ReflexoInternaTotalocorrequandonoexisteraiorefratado,ie, 2=90.
Ongulodeincidnciaqueverificaestacondiodesignadongulocrtico, c:
2
1
arcsenc
n
n
3
-
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Brevehistorial
1920 AparecimentodaFOcomomeiodetransmissodeluzusandooprincipio
da
RIT.
Nesta
primeira
abordagem
as
fibras
no
tinham
bainha,
o
que
no
evitavaquehouvessegrandesperdas.
Maistardesurgem asfibrascombainha,oqueabriu ocampoparadiversasaplicaes,taiscomoatransmissodeimagemporpacotes.
1966 Foiprovadoteoricamentequesepoderiamfabricarfibrascomuma
atenuaomuitobaixacomenormesaplicaesemtelecomunicaes.
MaistardeconseguiusefabricarumafibracomalgumasdezenasdedB/kmdeatenuao,quecombinadacomaodesenvolvimentoparalelodoslaserssemicondutores,representouoemergirdatecnologiadecomunicaespticas,quereconhecidacomoumadasbasesdasociedadedeinformaomoderna.
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Constituiode
uma
fibra
ptica
NormaTIA598CrecomendaacoramarelaparaorevestimentodeumafibraSMeacorlaranja(ouvioleta)paraafibraMM.
5
1. Ncleo(core):2. Banha (cladding)3. Buffer (luz)
4. Revestimento(ouencapsulamento)
Fibra Monomodo (SM-Single Mode) Fibra Multimodo (MM)
1. 8 mdimetro 50100mdimetro2. 125 mdimetro >125 mdimetro
3 250 mdimetro Varivel4. 400 mdimetro Varivel
Especificadaporex: 62.5/125
Transmite 10Gbit/s(a80km) 10Mbit/s(a2km) 10Gbit/s(a600m)Desde
2005 10Gbit/s(amilhareskm)
DWDM 40Gbit/s(acentenaskm)
DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
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Quequantidade
de
luz
propagada
no
interior
da
fibra?
Sentranafibraaluzcujadireoseencontradelimitadapeloconedeaceitao.
Oconedeaceitaodefinidopela
abertura angularcorrespondente
ao
mximongulodeincidncianoncleodafibraparaoqualaindaexisteRIT aberturanumrica(NA)
sen aNA n
n ndicederefraodomeiodeondeaondaprovm; a=ngulodeaceitao. 6
n1 ndicedoncleo.n2 ndicedabainha.
2 2
1 2 1 2NA n n n
1 2
1
n n
n
variao
relativa
do
ndice
de
refrao
-
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Oque
um
modo
de
propagao?
Percursospossveisdosraiosdentrodafibraporreflexesmltiplas;
Diferentes
modos
chegam
ao
extremo
da
fibra
em
instantes
diferentes; Omodomaisrpidoomodofundamental.
Osrestantesmodossochamadosmodosdeordemsuperior;
Deentreosraiosconfinadosnoncleo,existemosRaios:
Meridionais: quecruzam
oeixo
da
fibra
Helicoidais(ouoblquos):nocruzamoeixodafibra
7
Padro criado por
raios oblquos
sada da fibra.
Existem ainda:
- os le ky r ys, que penetram um pouco para dentro da
banha;
- Os r ios d b nh que sofrem RIT no interfacebanha/buffer;
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Tiposde
fibra
ptica:
Fibra
Monomodo (SM)
Monomodo (SM): ndice em degrau
ndice gradual (menoscomum)
8
Aluzpropagasesegundoumnicomodo(modofundamental)praticamenteparaleloaoeixodafibra.Existemassimsumcomportamentoparaocampoelectromagnticodentrodafibraptica.
Ncleopequeno(
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FibraMonomodo
1
1
1 2 '( )
1 2 '
gr
n r an r a
n r a
2 2
1 20 0
2 2a aV NA n n
V Frequncianormalizada: quantidadedemodospermitidosemfunodoperfildondicedafibra.
Comprimentosdeondadecorte cocomprimentosdeondamnimo dentrodafibraparaoqualafibraaindaumafibraSM.
n1 ndicedoncleo. a raiodoncleo
n2 ndicedabainha. ocompr.ondadaluznovazio
ndiceGradual:Estasrelaessovlidasparaumperfildeintensidadequadrtico
coma raiodoncleo;g parmetrodaformadoperfildondice.
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CondioparaserSM: V
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Tiposde
fibra
ptica:
Fibra
Multimodo
(MM)
Multimodo(MM):ndice em degrau ndice gradual
10
existemvriosmodos depropagao; ncleogrande(50100mdimetro),sendofciloacoplamentodeluz;a
maioriadosmodosquesepropagamsomodosoblquos;
grandedispersointermodal grandedispersointramodal (oudispersodomaterial: dispersocromticae
dispersodomododepolarizao) transmiteluzinfravermelha,tipicamentea=850a1300nm 1janelade
transmisso.
devidosperdasporatenuaoqueapresentamsousadasemtransmissesapequenasdistncias,comalgumasexignciasdepotncia.
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FibraMultimodo
(MM)
Fibramultimododendiceemdegrau
Fibramultimodondicegradual
1
1
1 2 '( )
1 2 '
gr
n r an r a
n r a
2 2
1 2
0
2 aV n n
com
11
2
de modos2
Vn
ndice
Gradual:Estasrelaessovlidasparaumperfildeintensidadequadrtico
1
2
( )n r a
n r
n r a
ndiceemdegrau
a raiodoncleo;
g parmetrodaformadoperfildondice.
2 2
1 2
2
1
'2
n n
n
1 2
1
'n n
n
-
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Modosde
propagao
Propagamaenergiaaolongo
dafibra.
12
Modos
Guiados Radiados Transportamenergia
paraforadoncleo;
implicamdissipaodeenergia.
Cadamodopropagaseaumacertavelocidadeecomumacertaconstantedepropagao;
Podemserdecompostosem2componentesortogonaislinearmentepolarizadas(LP);
Qualquercamponointeriordafibrapodeserexpressocomoumacombinaodos2modos.
Modo LP01
Modo LP11
Modos de ordemmais baixa numa
fibra perfeitamente
circular
NoespaolivreosmodosdepropagaosodotipoTEMEeHsemcomponentesnadireodepropagao
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ModosTE
eTM
Soluodaeq.deonda:
Condiesfronteiraimpostaspelaguiadeonda: AscomponentestangenciaisdeEeHcontnuasentreo
ncleoeabainha
Assoluesparaosvriosmodospodemserobtidasparaou :
Ouse:
13
( )
0
( )
0
( , )
( , )
j kz t
j kz t
E E r e
H H r e
0z
E 0
zH
( ) 0, ( ) 0 :
( ) 0, ( ) 0 :
E z H z
H z E z
modo transversal eltrico (TE)
modo transversal magntico (TM)
( ) 0, ( ) 0 :E z H z modo hbrido (HE ou EH)
Conforme H(z) ou E(z) tiverem uma maior contribuio
para o campo transversal, respetivamente
Em coordenadas cilndricas (r,,z)
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Modosvs raios
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Raiosmeridionais
TE0m(Ez= 0)
TM0m(Hz = 0)
RaiosHelicoidais
HEnm
EHnm
-
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ModosLP
(fracamente
guiados)
Somodosdegeneradosdosmodostransversaisehbridos(hmaisdeumacombinaoquesatisfazemaequaocaracterstica)
Cada modoLP0m deriva de um modoHE1m.
Cada modoLP1m deriva dos modos TE0m. TM0m eHE2m.
Cada modoLPjm (j2) deriva dos modosHE(j+1)m eEH(j-1)m.
15
-
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LP
TM
TEa. designaodosmodosLP;
b.designao
dos
modos
exatos;
c. distribuiodocampo
elctrico
dos
modos
exatos;
d.distribuiodeintensidadedeExparaosmodosexatos
indicandooperfildeintensidadedocampoelctricoparaosmodosLPcorrespondentes.
16
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Exemplos
17
CitationFredrikK.Fatemi,GuyBeadie,"Rapidcomplexmodedecompositionofvectorbeamsbycommonpathinterferometry,"
Opt.
Express
21,
32291
32305
(2013);
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe 212632291
Image2013OpticalSocietyofAmericaandmaybeusedfornoncommercialpurposesonly..
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Perdasnuma
fibra
ptica
Disperso
Atenuao
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-
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Disperso
Intermodal Intramodal
Cromtica
Mododepolarizao
Disperso AlargamentodosimpulsosSobreposiodosimpulsos
Degradaodataxade
transmisso
Adisperso conduz ao alargamentodosimpulsos medida que sepropagam ao longo daFO:
Estealargamentolevasobreposiodevriosimpulsos,oquesetraduznumaperdadeinformao;
oprincipalmecanismo quelimita alargura debanda (BW)deuma FO.
Quantomaiorforadisperso,menoraquantidadedeinformaotransmitidaporunidadedetempomenortaxadetransmisso.
2 2
total c n
12BR
0,2
rms
BRt
BR Bit Rate
trms largura rms do impulso - largura total do impulso
c alargamento por disperso cromtican alargamento por disperso intermodal
-
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Dispersointermodal
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Diferentesvelocidadesparaosdiferentesmodos
Unidades:[ps/nm.km] Dispersonula:~1,3m
min max
1
2T
L L
v v
= alargamento rmsdoimpulso
2
14GR
L
v
12STL
v
Fibras ndice
em degrau
Fibras ndice
gradual>
Thisimagecannotcurrently bedisplayed.
-
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Dispersointramodal (ou
do
material)
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nvariacom ;
Diferentes s propagamseavelocidadesdiferentes;
UmimpulsocommaiorFWHMalargarmais queumimpulsocommenorFWHM;
PrefervelusarfontescomBWestreitas(lasers)
Dispersointramodal
Cromtica Mododepolarizao
NumafibraSM,omodoconsisteem2polarizaesortogonaisquesepropagamdeigualforma.Noentanto,seafibranoforperfeitamentecircular,existirodeformaesnafibraqueresultamemtensesinternaseconsequentementeembirefringnciadomaterial
umdosmodosortogonaispropagasemaisrpidoqueooutro
dispersodomododepolarizao.FWHM: Full Width Half Maximum
Thisimagecannotcurrently bedisplayed.
2
0
2
0
d nD
c d
T D L
-
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Atenuao Aopropagarsenummaterial,umaondadecaiexponencialmentedevidoaosmecanismosdeabsoroedeespalhamento(ouScattering)
Asperdasporatenuaodeterminamaquantidadederegeneradoresnumsistemadecomunicaespticasocustodosistema;
Sistemasdebaixaatenuaopoderoevidenciarperdasde0,1dB/km.
OScatteringummecanismo presente na propagao ao longo dafibradevido apequenas imperfeies dedendidade pticas domaterialnofabrico.Aatenuao porScatteringproporcional a1/4,sendo portanto mais
significativa asmais baixos.
22
4
0,85[ / ] 1,7
[ ]R dB km
m
-
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AbsoroUV
eIR
1600nmabsoroIRdeSiO
da
silica
Janela [nm] Atenuao
[dB/km]I 850 ~3
II 1300 0,3 0,5
III 1550 0,18 0,3
-
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Atenuao
24
( /2) ( )
0( , )z j kz t
E z t E e e
Espalhamento de Rayleigh Absoro UV IR - impurezas (gua -> OH-)
Macro e micro-curvaturas
Efeitos no-lineares
Absoro IR >1,6 m
950 nm
1380 nm
1250 nm
Perdas com FO silica:
0 18 dB/km a 1550 nm
-
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Curvaturas
25
Coeficientede
atenuao
1[ ]
f R abs curvaturas
km
( )
0( )fz
P z P e
10
[ / ] logdB km T L
out
in
P
T P
1[ / ] 0, 23 [ ]fdB km km
( 0,23 )
0( ) 10fz
P z P
-
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Sistemascomunicaes
Atenuao(dB/km):
1:850nm : 60%75%porquilmetro;
2:
1300
nm:
50%
60%
por
quilmetro;3:1550nm:
-
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Comunicaescom
fibra
27
-
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