5. fibras Ópticas

7/21/2019 5. Fibras pticas

1/28

Reflexo interna total Constituio de uma fibra

Tipos de fibras

Modos de propagao numa fibra

Disperso Atenuao


2/28

Fibraptica

2


3/28

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.

4


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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.

9

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

14

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

18


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19

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

20

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)

21

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

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