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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOSECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICAInstituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa CatarinaCampus São José – Área de TelecomunicaçõesCurso Superior Tecnológico em Sistemas de Telecomunicações

SISTEMAS ÓPTICOS

FIBRAS ÓPTICAS

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TIPOS DE FIBRAS

• A forma mais simples de uma fibra óptica é constituída de um NÚCLEO, com

índice de refração N1, e uma CASCA, com índice de refração N2, sendo N1 > N2.

Esta fibra é conhecida como FIBRA DE ÍNDICE EM DEGRAU.

Núcleo

Casca

N1 N1

N2N2

N2

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• Com o objetivo de aperfeiçoar o desempenho, evitando grandes degradações no

sinal guiado, além das alterações na composição do núcleo, foram estudadas

modificações na forma de distribuição dos valores do índice de refração ao longo

da direção radial. Este tipo de fibra foi chamada de FIBRA COM NÚCLEO DE

ÍNDICE GRADUAL ou FIBRA ÍNDICE GRADUAL.

Núcleo

CascaN2N2

N2

N1

N1

TIPOS DE FIBRAS

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• Com o aumento das aplicações houve necessidade de incluir proteções nas fibras

a fim de garantir sua durabilidade. A sua resistência mecânica intrínseca é bem

elevada, suportando um esforço de tração de 5.000 MN/m2, contra 3.000 MN/m2 do

fio de aço.

• Na prática, é possível ocorrer microfraturas na superfície, que se propagam

rapidamente em direção ao núcleo, reduzindo fortemente sua capacidade de

suportar esforços mecânicos.

• As microfraturas decorrem de agentes externos, tais como: umidade, variações

de temperatura, agressões por partículas ou substâncias químicas presentes no

ambiente, choques mecânicos, etc. Para reduzir a influência desses agentes, a

fibra apresenta camadas externas de proteção.

TIPOS DE FIBRAS

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50µm 125µm 250µm 370µm 900µm

Capa plástica

Camada desilicone

Camada desilicone

Casca

Núcleo

Fibra Multimodo

TIPOS DE FIBRAS

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• Haverá reflexão total na fronteira de separação entre os dois meios dielétricos

perfeitos quando o ângulo de incidência for maior ou igual ao valor crítico. E

quando o índice de refração do meio de onde a onda está vindo (N1) for maior do

que o meio para onde a onda estaria indo (N2).

TIPOS DE FIBRAS

N1

N2

N2

Fonteluminosa

NAR

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• O feixe luminoso partindo da fonte luminosa penetra no núcleo com um ângulo θi

em relação ao seu eixo longitudinal (normal de separação entre o núcleo e meio

externo). Por causa da diferença entre os índices de refração do núcleo e do ar,

ocorre propagação para dentro do núcleo, com o ângulo θ1.

• Se o ângulo de incidência na fronteira entre a casca e o núcleo for menor que o

valor crítico, o feixe não será completamente refletido, tendo parte da sua energia

transferida para a casca. Isto representa uma perda de potência, pois não se

aproveita a luz que percorre a casca.

• Existe um valor máximo do ângulo θ2 que permite a propagação da energia

luminosa ao longo do núcleo sem que haja perda de energia para a casca. O

ângulo máximo incidente no núcleo da fibra θi, é chamado de ABERTURA

NUMÉRICA da fibra.

ABERTURA NUMÉRICA

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ABERTURA NUMÉRICA

N1

N2

NAR

Casca

Núcleo

Eixo da fibraθi

θ1

θ2

N2

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ABERTURA NUMÉRICA

• Existem duas formas de calcular a Abertura Numérica:

• Como o ângulo θ1 é complementar ao ângulo de incidência, sen(θi) = cos(θ1) e na

condição de reflexão total, cos(θ1) = N2/N1. Logo,

( )( ) 11

1 1NN

Nsensen AR

i

==θθ

( )2

1

21 1

−=NNsen θ

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ABERTURA NUMÉRICA

( ) 1max

2

1

2

11

NsenNN

i

=

−

θ

( ) 22

21

2

1

21max 1 NN

NNNsen i −=

−=θ

( ) 22

21max NNsenAN i −== θ• Abertura Numérica:

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ABERTURA NUMÉRICA

• Outra forma de calcular a Abertura Numérica, a partir do ângulo crítico formado

pelo raio incidente do núcleo sobre a casca:

( ) ( )1

22 N

Nsensen c == θθ

°=°++ 1809021 θθ

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ABERTURA NUMÉRICA

( )( ) ( ) ( )

ARi

AR

i

NNsensen

NN

sensen 1

1max1

1

max ⋅=∴= θθθ

θ

( ) ( )AR

i NNsensenAN 1

1max ⋅== θθ

• Ângulo de aceitação:

ANac ⋅= 2θ

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ABERTURA NUMÉRICA

θac

• Cone de aceitação:

Casca

Núcleo

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ABERTURA NUMÉRICA

• Exercício 1: Seja uma fibra óptica com 50 µm de diâmetro do núcleo e índice

de refração do mesmo igual a 1,50. A casca envolvendo o núcleo tem um

diâmetro de 125 µm e índice de refração igual a 1,48. Determine:

a) O ângulo crítico formado entre o núcleo e a casca;

b) A abertura numérica;

c) O ângulo máximo de aceitação na interface do núcleo com a fonte luminosa.

• Exercício 2: Seja uma fibra óptica cujo ângulo crítico é 65,5º. Sabendo que o

índice de refração do núcleo é 1,51 e da fonte luminosa é 1, determine:

a) O índice de refração da casca;

b) A abertura numérica;

c) O ângulo de aceitação.

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MODOS DE PROPAGAÇÃO

• Modos de propagação são todos os caminhos ou trajetórias que os raios

luminosos podem percorrer dentro da fibra óptica;

• O número de modos de propagação suportados por uma fibra pode variar desde

1 até 100.000. Este número tem relação com uma grandeza adimensional

chamada FREQUÊNCIA NORMALIZADA (V):

• Onde: V → frequência normalizada;

d → diâmetro do núcleo;

λ → comprimento de onda do feixe luminoso;

AN → abertura numérica.

V=π∗dλ

∗AN

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MODOS DE PROPAGAÇÃO

• O número de modos é definido por:

→ para fibras ópticas índice gradual;

→ para fibras ópticas índice degrau;

N m=V 2

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N m=V 2

2

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FIBRA MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU

• As pioneiras em aplicações práticas. Suas principais características são: Variação abrupta do índice de refração do núcleo com relação a casca; Índice de refração constante do núcleo; Dimensões e diferença relativa de índices de refração implicando a existência

de múltiplos feixes se propagando na fibra óptica; Comprimento de onda típico: 850 nm; Distâncias típicas de aplicação: até 1km; Taxa de transmissão: até 10 Mbps.

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FIBRA MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU

d1 → diâmetro do núcleo de 50 µm a 200

µm (tipicamente 50 µm e 62,5 µm)

d2 → diâmetro da fibra óptica (núcleo +

casca) de 125 µm a 280 µm (tipicamente

125 µm)

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FIBRA MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL

• Suas principais características são: Variação gradual do índice de refração do núcleo com relação à casca; Núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de

refração; Maior capacidade de transmissão com relação as fibras ópticas MM - ID; Menor aceitação de energia luminosa; Utilizada em sistemas de comunicação com distâncias de poucos kilômetros; Comprimento de onda típico: 850 nm e 1310 nm; Distâncias típicas de aplicação: até 4km; Diâmetro do núcleo típico: 50 e 62,5 µm; Taxa de transmissão: até 100 Mbps.

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FIBRA MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL

d1 → diâmetro do núcleo de 50 µm a 85

µm (tipicamente 50 µm e 62,5 µm)

d2 → diâmetro da fibra óptica (núcleo +

casca) de 125 µm

n6 → índice de refração da casca

n1 à n6 → índices de refração das

superfícies concêntricas do núcleo

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FIBRA MONOMODO

• Existem fibras do tipo monomodo índice gradual, mas estas são muito incomuns

devido as dimensões do núcleo;

• Pode-se dizer que as fibras monomodo são do tipo índice degrau;

• Suas principais características são: Possui capacidade de transmissão superior as fibras multimodo; Apenas é guiado o modo fundamental da (raio axial) da onda eletromagnética; O núcleo possui dimensões inferiores às fibras MM; Comprimento de onda típico: 1310 nm e 1550 nm; Distâncias típicas de aplicação: até 80km sem repetidores; Diâmetro do núcleo típico: 2000 a 10.000 nm (poucas vezes superior que o

comprimento de onda); Taxa de transmissão: 2,4 Gbps ou superior.

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FIBRA MONOMODO

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FIBRA MONOMODO – RAIO MODAL

• Um parâmetro importante que define a eficiência no acoplamento da potência do

modo fundamental no núcleo fibra monomodo é o RAIO MODAL (W0);

• O raio modal representa a metade da largura efetiva do campo propagado. Para

um acoplamento ótimo, o raio modal deve ser próximo ao raio do núcleo da fibra;

• Pode-se definir o raio modal como sendo:

Onde: a → raio do núcleo da fibra

λ → comprimento de onda

λc → comprimento de onda de corte

W 0=a [0,65+0,434(λλ c

)3/2

+0,0149( λλc

)6

]

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COMPRIMENTO DE ONDA DE CORTE

• Uma fibra óptica é caracterizada como monomodo quando a Frequência

Normalizada (V) for inferior a 2,405;

• Como a V é função do comprimento de onda da luz transmitida costuma-se

caracterizar as fibras monomodo por um comprimento de onda de corte (λc), que é

definido como o comprimento de onda na qual a fibra tem um comportamento

monomodo;

V=2,405λ cλ0

2,405=2πaλc

√N 12−N 2

2

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COMPRIMENTO DE ONDA DE CORTE

• O raio modal tem importância para estudos de distribuição de energia que possam

afetar o desempenho da fibra óptica, por exemplo: ao serem emendadas 2 fibras

monomodo nos quais os raios modais possam ser diferentes;

• Nesse caso, deve-se obter a área efetiva (Aef) do feixe óptico guiado admitindo uma

simetria circular:

Aef=π×w2

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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

• Distribuição de energia em fibras tipo índice degrau, multimodo (MM) e monomodo

(SM):

A distribuição de energianas fibras MM está confinada

no núcleo.

Nas fibras SM, o máximo de distribuiçãode energia ocorre o centro do núcleo

(sombreado mais escuro = maior energia)

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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

• MM – ID:

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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

• MM – IG:

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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

• SM – ID