SISTEMAS ÓPTICOS. Atenuação e Dispersão

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Campus São José Área de Telecomunicações Curso Superior Tecnológico em Sistemas de Telecomunicações SISTEMAS ÓPTICOS Atenuação e Dispersão 1

2 Limitações da fibra Atenuação limita a distância Dispersão limita a taxa de transmissão 2

3 Limitações da fibra A distância e a taxa de transmissão em uma fibra são completamente independentes uma da outra; Atenuação reduz a amplitude do campo óptico; Dispersão modifica a forma de onda; A maior ou menor perda de potência e a modificação tolerada no sinal de modulação determinarão a distância entre os repetidores ou entre os amplificadores ópticos. 3

4 Atenuação As perdas de transmissão de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da relação de potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua saída; f =10log P s P e 1 L,[dB/km ] Onde: α f atenuação sofrida na fibra (db/km) P s potência óptica de saída (Watts) P e potência óptica de entrada (Watts) L comprimento da fibra (km) 4

5 Atenuação As causas mais importantes de perda em uma fibra óptica são: Absorção pelo material; Irradiação devido curvaturas; Espalhamento pelo material; Espalhamento da onda guiada; Perdas por modos vazantes; Perdas por microcurvaturas; Atenuações em emendas e conexões; Perdas por acoplamento no início e final da fibra. 5

6 Atenuação Tanto nas fibras MM como nas SM a perda é dependente do comprimento de onda; Em fibras com múltiplos modos de propagação, a energia óptica é dividida entre os muitos percursos possíveis e cada um apresentará valor próprio de perda; Portanto, é possível encontrar resultados diferentes para medições da perda em diferentes ocasiões; A confirmação dos resultados implica em garantir que as condições de acoplamento do feixe óptico fiquem inalteradas sempre que forem necessárias novas medidas. 6

7 Absorção pelo material A absorção pelo material é um tipo de perda relacionado com a composição do material e o processo de fabricação da fibra, na qual resulta uma dissipação, na forma de calor, da potência óptica transmitida, tanto no núcleo quanto na casca. As causas dessa perda são as vibrações das moléculas e a transição de elétrons entre os níveis de energia do meio. Em frequências próximas das vibrações naturais desses componentes, o campo eletromagnético transfere parte de sua energia, reforçando suas oscilações. 7

8 Absorção pelo material Uma concentração de impurezas em valores tão baixos quanto algumas partes por milhão (ppm) ou algumas partes por bilhão (ppb) pode produzir atenuações consideráveis nos comprimentos de onda de interesse; Alguns resultados experimentais mostram a absorção por íons de diversos elementos químicos presentes no vidro, em um comprimento de onda de 800 nm, e o comprimento de onda no qual se tem a máxima absorção. 8

9 Absorção pelo material Íon presente no vidro Comprimento de onda de máxima absorção (nm) Concentração em ppm para atenuação de 1dB/km em 800nm Fe ,0025 Fe Cr ,0016 Cr ,0001 Cu Cu ,0008 9

10 Absorção pelo material A absorção pelo material pode ser causada por 3 formas diferentes: Absorção devido a defeitos na estrutura atômica (desprezível); Absorção intrínseca; Absorção extrínseca. 10

11 Absorção Intrínseca São aquelas originadas pela composição do material da fibra impurezas existentes no material da fibra; Resulta basicamente de metais de transição, ferro, cobalto, crómio, níquel, etc; Para as fibras de silica fundido a faixa de menor absorção vai de 700nm à 1600nm; Melhores técnicas de fabricação levam este tipo de absorção a níveis aceitáveis. 11

12 Absorção Extrínseca Causada principalmente pela presença do íon hidroxila OH - ; Concentração de poucas partes por bilhão (ppb) do íon OH - são necessárias para obter valores de atenuação inferiores a 20 db/km; Tais impurezas, apresentam comportamentos atômicos que provocam absorção de uma parcela da intensidade luminosa da fibra; Com a evolução tecnológica das técnicas de fabricação, os níveis de íons OH -, foram reduzidos a níveis de concentrações inferiores a 1 ppb e em alguns casos menores ainda. 12

13 Absorção devido íons OH - Picos de atenuação devido aos íons OH - 13

14 Absorção devido íons OH - Com a evolução na técnica de fabricação os picos diminuíram 14

15 Perdas por Espalhamento As perdas por espalhamento incluem reduções na amplitude do campo guiado por mudanças na direção de propagação, causadas pelo próprio material e por imperfeições no núcleo da fibra. Ou seja, ocorre o desvio da luz em várias direções; O espalhamento linear refere-se à transferência de uma parcela da luz de um modo de propagação para outros modos, quando a quantidade de energia transferida for diretamente proporcional à potência da luz guiada; 15

16 Perdas por Espalhamento Espalhamento de Rayleigh Espalhamento de Mie Espalhamentos lineares Espalhamento estimulado de Brillouin Espalhamento estimulado Espalhamentos não-lineares de Raman 16

17 Perdas por Espalhamento O espalhamento é causado por: Flutuações térmicas; Variações de pressão; Pequenas bolhas; Variação no perfil de índice de refração; 17

18 Perdas por Espalhamento O espalhamento Rayleigh é o mais importante e resulta de irregularidades submicroscópicas na composição e densidade do material. Estas são bem pequenas quando comparadas ao comprimento de onda da fibra (inferior a 10%); O resultado é uma flutuação no valor do índice de refração do material ao longo da fibra; O espalhamento de Mie pode ser observado quando as irregularidades da fibra têm dimensões comparáveis ao comprimento de onda da luz guiada. Ou seja, quando são superiores a 10% do comprimento de onda do feixe óptico; As irregularidades neste caso são: bolhas, minúsculos defeitos na interface do núcleo com a casca, variações no diâmetro da fibra, sinusoidades no eixo conhecidas como microcurvaturas. 18

19 Perdas não-lineares Os valores de potência óptica dentro da fibra são da ordem de miliwatts, entretanto sua seção transversal é também minúscula, o que significa uma elevada densidade de potência dentro do núcleo; A densidade de potência é proporcional ao quadrado do campo elétrico transmitido, tornando-se muito grande dentro da fibra também. E quando ultrapassar um certo valor crítico, o meio passa a ter uma resposta não-linear à excitação aplicada; Logo, as variações na potência de saída da fibra deixam de ser proporcionais às variações da potência de entrada; Então, haverá transferência de energia de um modo para outro, ou mesmo dentro do mesmo modo, em comprimentos de onda diferentes; 19

20 Perdas não-lineares Quando a energia vai para o mesmo modo, gera uma onda que se propaga em sentido contrário ao originalmente aplicado ou pode alterar a polarização do campo guiado; A consequência é que a onda introduzida no início da transmissão tem um decréscimo a mais que deve ser adicionado aos outros mecanismos de perda no comprimento de onda original. Os efeitos não-lineares surgem principalmente nas fibras monomodo de grandes comprimentos físicos, por causa do menor diâmetro do núcleo; Nas fibras multimodo o núcleo tem diâmetro bem maior e nem sempre a densidade de potência alcançará o valor necessário para conduzi-la a uma condição de não-linearidade. 20

21 Perdas não-lineares Se o meio não estiver excitado por outra fonte de energia, absorverá parte da energia dos fótons, tranferindo os elétrons para níveis mais elevados. Logo, a onda espalhada terá frequência diferente do sinal guiado (Lei de Planck); Frequência ou deslocamento de Stokes diferença entre essas duas frequências; Havendo transferência de energia para uma frequência diferente, a potência contida em um dado comprimento de onda sofrerá aumento na perda; A elevada densidade de potência óptica, isto é, grande quantidade de fótons por unidade de tempo por unidade de superfície, forçará o aparecimento de vibrações mecânicas em nível molecular. 21

22 Perdas não-lineares No espalhamento estimulado de Brillouin ocorre uma modulação da luz causada pelas vibrações. Sendo que o máximo de desvio da frequência ocorre no sentido oposto ao originalmente estabelecido na fibra. Portanto, este espalhamento é um fenômeno que excita uma onda retrógrada no núcleo. É possível percebê-lo quando a potência guiada ultrapassa alguns miliwatts; O espalhamento estimulado de Raman refere-se à transferência da energia óptica que ocorrerá em bandas laterais mais separadas em relação ao comprimento de onda original. Ou seja, as frequências espalhadas serão maiores do que as do espalhamento de Brillouin; As bandas laterais resultantes deste efeito podem estar separadas de até 200nm. O efeito predominante é no sentido direto da propagação. 22

23 Perdas não-lineares O espalhamento de Raman se verifica quando a potência aplicada for grande, da ordem de 10 a vezes maior do que no caso do espalhamento de Brillouin; Quando a transmissão pela fibra estiver sendo feita em um único comprimento de onda, a potência típica para dar origem ao efeito Raman é da ordem de 50mW a 100mW ; Portanto, para os níveis de sinal mais comuns, a perda de potência causada por este tipo de problema não é significativa na transmissão de informações em fibras ópticas. 23

24 Perdas por deformações mecânicas As perdas por deformações mecânicas podem ser de dois tipos: MICROCURVATURAS; MACROCURVATURAS. 24

25 Macrocurvaturas A ocorrência da perda é dada quando os modos próximos ao ângulo crítico (alta ordem) ultrapassam este valor em função da curvatura. Assim deixam de ser totalmente refletidos internamente, passando a ser refratados; A interface do núcleo com a casca, o campo guiado deve satisfazer determinadas condições de contorno impostas pelas leis da teoria eletromagnética: a componente tangencial do campo elétrico e a componente tangencial do campo magnético da luz devem ser sempre contínuos na fronteira de separação; logo, no ponto da interface entre o núcleo e a casca as amplitudes dos campos elétrico e magnético tangenciais devem ser sempre iguais; isto exige um ajuste automático da velocidade de propagação do campo fora do núcleo ao se encurvar a fibra. 25

26 Macrocurvaturas Para que estas condições sejam satisfeitas, a velocidade do campo deve ser igual à velocidade da luz; Assim, a partir de uma certa distância (raio crítico r c ) o modo guiado deveria propagar-se com uma velocidade superior à velocidade da luz. Mas como isto não é possível, a partir de uma distância radial, haverá modos de irradiação. r c 4π 3N ( ) N N λ 2 Fibra multimodo r c ( 2 2 N N ) λ 1 2 2,748 0, 996 λ λ c 3 Fibra monomodo 26

27 Macrocurvaturas 27

28 Microcurvaturas É uma pequena deformação na fronteira entre o núcleo e a casca; Pode ser provocado por qualquer força transversalmente aplicada na superfície da fibra; Parte da energia é perdida devido aos modos de alta ordem tornarem-se não guiados. 28

29 Tipos de atenuações 29

30 Atenuações devido fatores construtivos ou de instalação Perdas em emendas e conectores; Atenuação causada pela diferença de diâmetros; Atenuação causada pela diferença de abertura numérica; Atenuação por diferenças no perfil dos índices de refração; Desalinhamento axial entre as fibras ópticas; Atenuação por deslocamento longitudinal; Atenuação por rugosidade nas extremidades; Atenuação devido a desalinhamento angular das fibras. 30

31 DISPERSÃO Dispersão está associado aos diferentes tempo de chegada, de cada modo que está se propagando na fibra, no receptor; Isso resulta em um alargamento temporal do sinal óptico emitido no início da fibra; Esse alargamento limita a banda passante e, consequentemente, a capacidade de transmissão de informação na fibra; A duração do pulso ( ) entre os pontos de meia potência vale: t t 0 =± =FWHM =2,355 Onde: σ é o desvio padrão; FWHM é a largura de banda de meia potência 31

32 DISPERSÃO Quando: t t 0 =±3 Então, a amplitude da potência óptica cai a cerca de 1% do valor de pico, isto significa que 99% da energia do pulso está contida no intervalo de tempo de 6σ; A potência óptica cairá 3dB nos valores que possuem uma largura de faixa de: BW = 0,187 = 0,441 = 0,441 FWHM 32

33 DISPERSÃO Dispersão Modal Dispersão Material Dispersão do Guia de Onda + { Dipersão cromática Dipersão por Modo de Polarização 33

34 DISPERSÃO Modal Cromática Polarização 34

35 DISPERSÃO MODAL Existem fibras que podem ter percursos diferentes no núcleo ; Os percursos determinam modos de propagação, em quantidade tanto maior quanto maior for a abertura numérica; Esta grande quantidade de modos de propagação dão origem à dispersão modal; A dispersão modal é especificada por unidade de comprimento ns/km; Observe que taxas de transmissão da ordem de gigabits/s ou centenas de megabits/s possuem intervalos entre símbolos desta da ordem de grandeza de ns, o que mostra a forte influência que o problema pode apresentar no desempenho do sistema. 35

36 DISPERSÃO MODAL A máxima diferença de tempo entre os percursos ocorrerá entre um modo que se propaga paralelamente ao eixo da fibra e o modo de ordem mais baixa (que viaja na condição de reflexão total); Esta situação vai ocorrer quando em um fibra instalada em linha reta entre o transmissor e o receptor, houver o raio se propagando paralelo a linha de divisão de meios, a o modo mais lento com o ângulo incidente igual ao ângulo crítico. Nesta situação teremos: sen c = N 2 N 1 36

37 DISPERSÃO MODAL 37

38 DISPERSÃO MODAL Considerando o modo mais lento, a distância entre duas reflexões sucessivas é: l= 2a cos c = 2a 1 sin 2 c = 2aN 1 N 2 1 N = 2aN AN A projeção sobre o eixo do núcleo é: l a =l sin c = 2 a N 2 AN 38

39 DISPERSÃO MODAL Desta forma, é possível calcular a quantidade de reflexões sucessivas ao longo da fibra: N r = L l a L comprimento da fibra óptica. A distância total percorrida na condição de ângulo crítico é: D t =N r l= L l a l= L AN 2 a N 2 2 a N 1 AN =L N 1 N 2 39

40 DISPERSÃO MODAL A diferença entre os tempos de chegada do modo mais rápido com o modo mais lento (propagando-se na condição de ângulo crítico) é: t = D t L = N 1 L N 1 N 2 c / N 1 c /N 1 c N 2 A dispersão aumenta com a abertura numérica, resultando em uma menor largura de banda. Por quê? 40

41 DISPERSÃO MODAL EXEMPLO 1) Uma fibra óptica geometricamente perfeita tem índice de refração do núcleo igual a 1,52 e o índice da casca é 1% menor. O diâmetro do núcleo é de 50μm e comprimento de onda guiado é de 850nm. Estime a dispersão modal máxima em 1km e 5km de extensão. 2) Seja uma fibra óptica com índice de refração do núcleo de 1,480 e da casca de 1,470. O diâmetro do núcleo é de 62,5μm e o comprimento de onda guiado é de 1310nm. Determine para uma fibra com 10km de extensão: a) a distância entre duas reflexões sucessivas; b) o número de reflexões sucessivas do modo mais lento; c) a dispersão modal máxima. 41

42 DISPERSÃO CROMÁTICA Dispersão Cromática = Dispersão Material + Dispersão por Guia de Onda; Dispersão Material espalhamento dos comprimentos de onda que constituem o sinal, devido a propagação em um meio dispersivo; Guia de Onda espalhamento do sinal devido as características do guia de onda, tais como, distribuição do IOR Não Linearidade do Índice de Refração e características geométricas. 42

43 DISPERSÃO CROMÁTICA Fontes distribuição espectral de potência finita; Comprimento de onda das fontes não se propagam com a mesma velocidade (IOR é função do λ), chegando em instantes de tempo diferentes; Um pulso transmitido em tal meio sofrerá um espalhamento, limitando assim a banda passante de transmissão. 43

44 DISPERSÃO MATERIAL A dispersão material ocorre em todas as fibras, pois este tipo de dispersão é consequência da composição da matéria-prima da fibra e da largura espectral da fonte luminosa; Sendo o índice de refração e consequentemente a velocidade de propagação função do comprimento de onda, cada componente da fonte luminosa viaja com velocidade diferente, pois, as fontes luminosas possuem certa largura espectral; 44

45 DISPERSÃO MATERIAL O índice de refração do material que compõe a fibra tem uma dependência nãolinear com o comprimento de onda transmitido; Isto implica em diferentes atrasos (velocidades) de propagação, resultando na chamada dispersão material; A diversidade de componentes espectrais nos modos transmitidos é imposta pelas fontes luminosas que se caracterizam, de uma maneira geral, por emissão de luz policromática, isto é, emissão em vários comprimentos de onda em torno de um comprimento de onda central; Para minimizar a dispersão material é necessário diminuir a largura espectral das fontes luminosas e utilizá-las em fibras ópticas de baixa dispersão. 45

46 DISPERSÃO MATERIAL 46

47 DISPERSÃO GUIA DE ONDA Resulta da dependência do número V característico do guia de onda luminoso com relação ao comprimento de onda transmitido; Para um valor fixo qualquer de V existe um atraso de propagação diferente para cada modo, implicando em uma distorção do sinal óptico na saída da fibra; No caso das fibras multimodo de silica, a dispersão do guia de onda é geralmente muito pequena comparada com a dispersão material, podendo muitas vezes ser desprezada; 47

48 DISPERSÃO GUIA DE ONDA Nas fibras monomodo esta dispersão assume uma grande importância, pois, além de ser de magnitude equivalente, tem a propriedade de, em determinados comprimentos de onda, compensar a dispersão material; A dispersão do guia de onda na fibra monomodo ocorre em função da variação do índice de refração núcleo e da casca ao longo da fibra. A luz propaga-se com diferentes velocidades durante a trajetória; Outro fator que provoca este tipo de dispersão é a variação da dimensão do núcleo ao longo da fibra, pois a propagação de um modo é função do comprimento de onda e do diâmetro do núcleo. 48

49 DISPERSÃO CROMÁTICA 49

50 DISPERSÃO CROMÁTICA Efeitos da dispersão cromática na forma de onda do sinal 50

51 DISPERSÃO CROMÁTICA Efeitos da dispersão cromática no pulso do sinal, aumentando a BER 51

52 REFLEXÃO DE FRESNEL Quando um feixe de luz é injetado na fibra, parte dele é refletido de volta à fonte luminosa. Esta reflexão é chamada de Reflexão de Fresnel e ocorre em função da diferença entre os índices de refração dos meios onde ocorre a propagação da luz; A Reflexão de Fresnel que ocorre entre o ar e a fibra pode ser definida pela seguinte equação: = n 1 2 n 1 Onde: ρ reflexão de Fresnel; n índice de refração do núcleo da fibra. 52

53 REFLEXÃO DE FRESNEL Esta reflexão ocasiona uma perda no sinal luminoso transmitido, que é definida por: P FresneldB =10log 10 1 A perda do sinal luminoso deve ser considerada tanto na entrada da luz na fibra como na saída, isto porque a reflexão de Fresnel ocorre tanto na passagem da luz do ar para a fibra, como da fibra para o ar. 53

54 REFLEXÃO DE FRESNEL Reflexão de Fresnel tanto na entrada como na saída da fibra 54