CARACTERSTICAS DE TRANSMISSO DAS FIBRAS PTICAS

5 - CARACTERSTICAS DE TRANSMISSO DAS FIBRAS PTICAS

TRANSMISSO NA FAIXA DO INFRAVERMELHO - MDIO E DISTANTE

Na regio do infravermelho-prximo do espectro ptico, a atenuao da fibra de slica dominada pelo espalhamento de Rayleigh e pela absoro intrnseca na regio do ultravioleta. A perda total decresce com o aumento do comprimento de onda at que um ponto de transio alcanado, em torno do comprimento de onda de 1.55 m, a partir do qual a perda comea a aumentar novamente, devido a absoro na regio do infravermelho.

Considerando que os limites de atenuao fundamental na regio do infravermelhoprximo foram alcanados, para a fibra de vidro de slica, pesquisas foram iniciadas para as regies dos comprimentos de onda do infravermelho-mdio (2 a 5 m) e infravermelho-distante (8 a 12 m).

Para permitir a obteno de fibras pticas com perdas menores, torna-se necessrio produzir vidros que proporcionem comprimentos de onda de transio mais afastados da regio do infravermelho-prximo. A razo para esta reduo na perda devido ao espalhamento de Rayleigh, o qual mostra uma dependncia de -4 e, portanto, torna-se muito reduzido com o aumento do comprimento de onda. Assim, possvel se obter perdas da ordem de 0.01 dB/Km no comprimento de onda de 2.55 m, e perdas ainda menores nos comprimentos de onda entre 3 e 5 m.

Alguns tipos de vidro, candidatos transmisso na faixa do infravermelho-mdio, so compostos por fluoretos, cloretos, calcognios, halognios e xidos.

A figura abaixo mostra alguns exemplos de materiais que podem ser utilizados para a transmisso na faixa do infravermelho-mdio.

DISPERSO

Em termos gerais, disperso a dependncia de uma varivel fsica (Ex: ndice de refrao, atenuao) com o comprimento de onda. Em termos especficos, o espalhamento dos pulsos de luz transmitidos, quando da passagem atravs de uma fibra ptica. A disperso do sinal ptico transmitido causa distoro, em ambas as transmisses analgica e digital, ao longo da fibra ptica.

O fenmeno do espalhamento do sinal transmitido, causado pela disperso, ilustrado na figura abaixo, onde pode ser observado que cada pulso se alarga e sobrepe com o seu vizinho, eventualmente tornando-se irreconhecvel na entrada do receptor. Este efeito conhecido como Interferncia Intersimblica.

A disperso limita a largura de banda mxima permitida, alcanada por uma fibra ptica em particular, relacionada ao ponto no qual smbolos individuais no podem mais ser distinguidos.

Para que no haja sobreposio dos pulsos de luz ao longo do enlace de fibra ptica, a taxa de bit (BT ) deve ser menor que a recproca da durao do pulso alargado (atravs da disperso):

BT ( 1/(2 Isto assume que o alargamento do pulso devido a disperso no canal

e indica que a durao do pulso de entrada tambm . Assim, pode-se estimar, de forma conservadora, que a mxima taxa de bit obtida em um enlace de fibra ptica 1/(2.

Outra maneira mais precisa para estimarmos a mxima taxa de bit para um canal ptico com disperso, pode ser obtida considerando que os pulsos de luz na sada possuem uma forma Gaussiana, com uma largura rms de . Diferente da relao dada na equao acima, esta analise permite a existncia de uma certa sobreposio de sinal no canal, mas evitando qualquer prejuzo da relao sinal/rudo (SNR), o qual ocorre quando a interferncia intersimblica torna-se acentuada. Assim, a mxima taxa de bit poder ser expressa por:

BT (max) = 0.2/bits/segundo

A converso da taxa de bit para largura de banda, em Hz, depende do formato de codificao digital utilizado. Dependendo do tipo de fibra utilizada, o alargamento do pulso e a largura de banda conseguida podem variar acentuadamente.

A figura abaixo mostra as trs estruturas de fibras pticas mais comuns, quais sejam, multimodo ndice degrau, multimodo ndice gradual e monomodo ndice degrau, bem como o alargamento do pulso associado com cada tipo de fibra. Como pode ser observado, as fibras monomodo proporcionam o menor alargamento do pulso e, assim, permitem as maiores larguras de banda de transmisso, tipicamente da ordem de gigahertz, enquanto que para as fibras multimodo ndice degrau esta largura de banda est limitada a algumas dezenas de megahertz.

O alargamento do pulso de sada depende da distncia que o pulso percorre dentro da fibra e, devido a isto, para um dado enlace ptico a restrio em relao a largura de banda permitida est relacionada com a distncia entre repetidores regenerativos. Assim, a medida das propriedades dispersivas de uma fibra particular dada como o alargamento do pulso no tempo, em relao a unidade de comprimento para a fibra (por exemplo, ns/Km).

O nmero de pulsos do sinal ptico que podem ser transmitidos em um dado perodo de tempo e, portanto, a capacidade de transmisso de informao para a fibra, est limitado pela quantidade de disperso do pulso por unidade de comprimento. O alargamento do pulso aumenta linearmente com o comprimento da fibra e, assim, a largura de banda inversamente proporcional distncia. Isto nos leva adoo de um parmetro muito til para representar a capacidade de informao transmitida de uma fibra ptica, o qual conhecido como o produto largura de banda x comprimento (por exemplo, Bopt x L).

Os produtos largura de banda x comprimento tpicos para os trs tipos de fibras mostradas na figura anterior so da ordem de 20MHz.Km, 1GHz.Km e 100 GHz.Km para a fibra multimodo ndice degrau, multimodo ndice gradual e monomodo, respectivamente.

A figura abaixo mostra a relao existente entre o produto largura de banda x comprimento, o comprimento de onda da luz transmitida e a largura espectral da fonte:

TIPOS DE DISPERSO

Existem dois tipos bsicos de disperso:

Disperso Intramodal ou Cromtica;

Disperso Intermodal.

DISPERSO INTRAMODAL

A disperso intramodal, ou cromtica, pode ocorrer em todos os tipos de fibras pticas e resulta da largura espectral finita da fonte ptica. Considerando que as fontes pticas no emitem somente uma nica freqncia, mas uma banda de freqncias ( no caso do laser, corresponde somente a uma frao percentual da freqncia central, enquanto que, para o LED, corresponde a um percentual significativo), ento pode haver diferenas de retardo de propagao entre as diferentes componentes espectrais do sinal transmitido. Isto causa o alargamento de cada modo transmitido e, devido a isto, disperso intramodal.

Existem dois tipos bsicos de disperso intramodal:

Disperso Material;

Disperso de Guia de Onda.

Disperso Material

O alargamento do pulso devido a disperso material resulta das diferentes velocidades de grupo das vrias componentes espectrais lanadas na fibra pela fonte ptica. Ele ocorre quando a velocidade de fase de uma onda plana propagando no meio dieltrico varia no linearmente com o comprimento de onda, e dito que o material exibe disperso material quando a derivada segunda do ndice de refrao com respeito ao comprimento de onda no zero ( d2n/d2 ( 0). A figura abaixo mostra a dependncia no linear do ndice de refrao em relao ao comprimento de onda, para o vidro de slica.

O espalhamento do pulso devido a disperso material pode ser obtido pela considerao do retardo de grupo g na fibra ptica, o qual o recproco da velocidade de grupo g:

g = 1/ g = d/dn12/ O retardo do pulso (m), devido a disperso material, em uma fibra de comprimento L, dado por:

A disperso material para fibras pticas normalmente dada em termos de parmetro de disperso material M, o qual definido como:

o qual freqentemente expresso em unidades de ps/(nm.Km).

Desta forma, em termos de parmetro de disperso material M, o alargamento rms do pulso dado por:

m ( LM

A figura abaixo mostra a variao do parmetro de disperso material M com o comprimento de onda, para a slica pura.

Nesta figura, pode ser observado que a disperso material tende a zero na regio do comprimento de onda de 1.3 m. Na verdade, o comprimento de onda de disperso material zero varia com a dopagem utilizada sendo, no caso da slica pura, da ordem de 1,27 m.

Disperso de Guia de Onda

O guia de onda tambm pode criar disperso intramodal. Isto resulta da variao da velocidade de grupo com o comprimento de onda para um modo em particular.

g = d/d Considerando a abordagem da teoria dos raios, um modo especfico obtido somente quando o ngulo entre os vetores propagao, ou os raios, e o eixo da fibra tem um valor particular, variando com o comprimento de onda, o qual, por sua vez, implica numa variao nos tempos de transmisso para os raios, o que causa a disperso.

A disperso por efeitos do guia de onda resulta, principalmente, da dependncia do nmero V caracterstico do guia de onda, com relao ao comprimento de onda da luz transmitida. Se considerarmos o ponto de disperso material nula, o atraso de grupo de propagao de um modo qualquer uma funo no linear de V, conforme mostra o grfico abaixo. Para um valor fixo qualquer de V, existe um atraso (de grupo) de propagao diferente para cada modo, implicando em uma distoro (disperso) do sinal ptico na sada da fibra.

b = constante de propagao normalizada

No caso das fibras multimodo de slica, a disperso de guia de onda geralmente muito pequena, se comparada com a disperso material, podendo ser desprezada. Para as fibras monomodo, a disperso por efeitos do guia de onda assume grande importncia pois, alm de ser de magnitude equivalente a disperso material, tem a propriedade de compensar esta disperso em determinados comprimentos de onda, diferentes do ponto de disperso material zero.

DISPERSO INTERMODAL

O alargamento do pulso devido a disperso intermodal (algumas vezes referida somente como disperso modal) resulta das diferenas de retardo de propagao entre os modos, dentro de uma fibra ptica. Como os diferentes modos, os quais constituem um pulso em fibra multimodo, trafegam ao longo do canal em diferentes velocidades de grupo, a largura do pulso na sada dependente dos tempos de transmisso dos modos mais lentos e dos modos mais rpidos. As fibras multimodo de ndice degrau exibem uma grande parcela de disperso intermodal, a qual resulta no acentuado alargamento dos pulsos. Entretanto, a disperso intermodal em fibras multimodo pode ser reduzida pela adoo de um perfil de ndice de refrao timo, o qual proporcionado por um perfil prximo ao parablico, utilizado na grande maioria das fibras de ndice gradual. Devido a isto, o alargamento global do pulso em fibras multimodo de ndice gradual muito menor que o obtido em fibras multimodo de ndice degrau (tipicamente por um fator de 100).

Sob a operao com fibras puramente monomodo, no h alguma disperso intermodal e, portanto, o alargamento do pulso somente devido aos mecanismos de disperso intramodal. Este o caso das fibras monomodo ndice degrau, onde permitida a propagao de um nico modo. Devido a isto, este tipo de fibra exibe o menor alargamento do pulso e possuem as maiores larguras de banda possveis mas, em geral, somente so completamente teis quando operadas com fontes monomodo.

Fibra Multimodo ndice Degrau

Utilizando o modelo da teoria dos raios, o modo mais rpido e o mais lento, propagado-se em uma fibra ndice degrau, podem ser representados por um raio axial e por um raio meridional extremo, respectivamente, conforme mostrado na figura abaixo:

A diferena de retardo entre estes dois raios permite estimar o alargamento do pulso, resultante da disperso intermodal dentro da fibra. Como ambos os raios esto trafegando na mesma velocidade dentro do ndice de refrao constante do ncleo da fibra, ento a diferena de retardo est diretamente relacionada com os respectivos comprimentos dos caminhos dentro da fibra. Devido a isto, o tempo utilizado pelo raio axial para trafegar ao longo da fibra de comprimento L fornece o mnimo tempo de retardo, TMin:

TMin = distncia/velocidade = L/(c/n1) = Ln1/c

onde, n1 o ndice de refrao do ncleo e c a velocidade da luz no vcuo.

O raio meridional extremo exibe um tempo de retardo mximo TMx:

Usando a Lei de Snell:

sin c = n2/n1 = cos

Assim,

TMx = Ln12/(cn2)

A diferena de retardo Ts, entre o raio meridional extremo e o raio axial pode ser obtido por:

Ts = TMx - TMin = Ln12/(cn2)

= (n1-n2)/n1 Quando