SISTEMAS ÓPTICOS FIBRAS ÓPTICAS

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1 MIISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIOAL E TECOLÓGICA 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 FIBRAS ÓPTICAS

2 TIPOS DE FIBRAS A forma mais simples de uma fibra óptica é constituída de um ÚCLEO, com índice de refração, e uma CASCA, com índice de refração, sendo >. Esta fibra é conhecida como FIBRA DE ÍDICE EM DEGRAU. Casca úcleo

3 TIPOS DE FIBRAS 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 ÚCLEO DE ÍDICE GRADUAL ou FIBRA ÍDICE GRADUAL. Casca úcleo 3

4 TIPOS DE FIBRAS 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 M/m, contra M/m do fio de aço. a 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. 4

5 TIPOS DE FIBRAS Fibra Multimodo úcleo Casca 50µm 5µm 50µm 370µm 900µm Camada de silicone Camada de silicone Capa plástica 5

6 TIPOS DE FIBRAS 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 ( ) for maior do que o meio para onde a onda estaria indo ( ). Fonte luminosa AR 6

7 ABERTURA UMÉRICA O feixe luminoso partindo da fonte luminosa penetra no núcleo com um ângulo θ i 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 θ. 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 θ 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 θ i, é chamado de ABERTURA 7 UMÉRICA da fibra.

8 ABERTURA UMÉRICA Casca AR θ θ Eixo da fibra θ i úcleo 8

9 ABERTURA UMÉRICA Existem duas formas de calcular a Abertura umérica: sen sen ( θ ) AR = = ( θ ) i Como o ângulo θ é complementar ao ângulo de incidência, sen(θ i ) = cos(θ ) e na condição de reflexão total, cos(θ ) = /. Logo, sen θ ( ) = 9

10 0 ABERTURA UMÉRICA ( ) max sen i = θ ( ) max sen i = = θ ( ) max sen A i = = θ Abertura umérica:

11 ABERTURA UMÉRICA Outra forma de calcular a Abertura umérica, a partir do ângulo crítico formado pelo raio incidente do núcleo sobre a casca: ( θ ) = sen( θ ) sen c = θ = 80 θ

12 ABERTURA UMÉRICA ( θ ) i max ( θ ) sen sen( ) ( ) = θ i max = sen θ sen AR ( ) ( ) A = sen θ i max = sen θ AR AR Ângulo de aceitação: θ ac = A

13 ABERTURA UMÉRICA Cone de aceitação: Casca θ ac úcleo 3

14 ABERTURA UMÉRICA Exercício : Seja uma fibra óptica com 50 µm de diâmetro do núcleo e índice de refração do mesmo igual a,50. A casca envolvendo o núcleo tem um diâmetro de 5 µm e índice de refração igual a,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 : Seja uma fibra óptica cujo ângulo crítico é 65,5º. Sabendo que o índice de refração do núcleo é,5 e da fonte luminosa é, determine: a) O índice de refração da casca; b) A abertura numérica; c) O ângulo de aceitação. 4

15 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 até Este número tem relação com uma grandeza adimensional chamada FREQUÊCIA ORMALIZADA (V): Onde: V frequência normalizada; d diâmetro do núcleo; V = π d λ A λ comprimento de onda do feixe luminoso; A abertura numérica. 5

16 MODOS DE PROPAGAÇÃO O número de modos é definido por: m = V para fibras ópticas índice gradual; 4 m = V para fibras ópticas índice degrau; 6

17 FIBRA MULTIMODO ÍDICE 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 km; Taxa de transmissão: até 0 Mbps. 7

18 FIBRA MULTIMODO ÍDICE DEGRAU d diâmetro do núcleo de 50 µm a 00 µm (tipicamente 50 µm e 6,5 µm) d diâmetro da fibra óptica (núcleo + casca) de 5 µm a 80 µm (tipicamente 5 µm) 8

19 FIBRA MULTIMODO ÍDICE GRADUAL Suas principais características são: Variação gradual do índice de refração do núcleo com relação à casca; úcleo 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 30 nm; Distâncias típicas de aplicação: até 4km; Diâmetro do núcleo típico: 50 e 6,5 µm; Taxa de transmissão: até 00 Mbps. 9

20 FIBRA MULTIMODO ÍDICE GRADUAL d diâmetro do núcleo de 50 µm a 85 µm (tipicamente 50 µm e 6,5 µm) d diâmetro da fibra óptica (núcleo + casca) de 5 µm n 6 índice de refração da casca n à n 6 índices de refração das superfícies concêntricas do núcleo 0

21 FIBRA MOOMODO 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: 30 nm e 550 nm; Distâncias típicas de aplicação: até 80km sem repetidores; Diâmetro do núcleo típico: 000 a nm (poucas vezes superior que o comprimento de onda); Taxa de transmissão:,4 Gbps ou superior.

22 FIBRA MOOMODO

23 FIBRA MOOMODO RAIO MODAL Um parâmetro importante que define a eficiência no acoplamento da potência do modo fundamental no núcleo fibra monomodo é o RAIO MODAL (W 0 ); 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: W 0 =a[0,65+0,434( λ 3/ ) +0,049( λ 6 ) ] λ c λ c Onde: a raio do núcleo da fibra λ comprimento de onda λ c comprimento de onda de corte 3

24 COMPRIMETO DE ODA DE CORTE Uma fibra óptica é caracterizada como monomodo quando a Frequência ormalizada (V) for inferior a,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 (λ c ), que é definido como o comprimento de onda na qual a fibra tem um comportamento monomodo; V =,405 λ c λ 0,405= π a λ c 4

25 COMPRIMETO DE ODA 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 fibras monomodo nos quais os raios modais possam ser diferentes; esse caso, deve-se obter a área efetiva (A ef ) do feixe óptico guiado admitindo uma simetria circular: A ef =π w 5

26 DISTRIBUIÇÃO DE EERGIA Distribuição de energia em fibras tipo índice degrau, multimodo (MM) e monomodo (SM): A distribuição de energia nas fibras MM está confinada no núcleo. as fibras SM, o máximo de distribuição de energia ocorre o centro do núcleo (sombreado mais escuro = maior energia) 6

27 DISTRIBUIÇÃO DE EERGIA MM ID: 7

28 DISTRIBUIÇÃO DE EERGIA MM IG: 8

29 DISTRIBUIÇÃO DE EERGIA SM ID 9