Modos de Propagação Tecnologia em Redes de Computadores 5º Período Disciplina: Sistemas e Redes Ópticas Prof. Maria de Fátima F. Bueno Marcílio 1
Modos de Propagação Antes de iniciarmos o estudo dos tipos de fibras ópticas e suas aplicações, vamos conceituar os modos de propagação. Os modos de propagação são soluções espaço-temporais das equações de Maxwell para cada fibra, caracterizando configurações de campos elétricos e magnéticos que se repetem ao longo do cabo. Na prática, representam as diferentes possibilidades de propagação da luz pela fibra. 2
Modos de Propagação Os modos de propagação dependem do material, da geometria e do ângulo de incidência da luz na fibra. Existem condições limitadoras aos modos de propagação, isto é, condições a partir das quais uma propagação não pode existir. O número de modos aceitáveis numa fibra é dado a partir de um parâmetro calculado com as características da fibra, o chamado número V ou freqüência normalizada, dado por: Onde: a é o raio da fibra óptica, NA é a Abertura numérica λ é o comprimento de onda Obs: V depende do raio do núcleo da fibra e do comprimento de onda da luz transmitida. 3
Modos de Propagação Existem valores de V para os quais um único modo pode existir numa fibra óptica (isso ocorre quando V < 2,405). Essa condição caracteriza as fibras ópticas monomodo, cujas aplicações são largamente exploradas, principalmente em aplicações onde uma capacidade de transmissão muito alta é requerida. Quanto maior o ângulo de admissão, maior é o diâmetro requerido para a fibra. Se o diâmetro for grande, a fibra pode admitir a entrada de vários raios luminosos e essas diferentes possibilidades de propagação pela fibra são denominadas modos. Cada modo é uma solução espaço-temporal das equações de Maxwell, que depende apenas do ângulo de incidência. 4
Modos de Propagação De acordo com o número de modos, a fibra óptica pode ser classificada como monomodo ou multimodo. A espécie multimodo divide-se em duas subespécies: índice degrau ou abrupto, e índice gradual. 5
Fibras Multimodo Admite vários Modos, ou seja, vários Raios de Luz podem se propagar simultaneamente ao longo Fibra Óptica. 6
Fibra Multimodo Revestimento (R), geralmente tem diâmetro de 250 µm. Casca (C), com diâmetros de 125 ou 140 µm. Núcleo (N), pode ser construído com diâmetros de 50; 62,5; 82,5 ou 100 µm. 7
Fibra Multimodo Fibras Ópticas do tipo Multimodo podem ser confeccionadas com plásticos especiais, usadas principalmente em LAN s. A principal vantagem seria o custo menor em relação a outros tipo de fibras usadas na mesma aplicação. Neste caso, o plástico possui um alto índice de refração e o diâmetro (N) do Núcleo é geralmente da ordem de 1 000 µm. 8
Fibra Óptica Multimodo de Índice Degrau Dependendo de como o Núcleo é construído, a propagação da Luz ao longo da Fibra poderá variar. Na fibra de índice degrau o índice de refração do núcleo é uniforme e completamente diferente do da casca. A refração, nesse caso, ocorre somente na interface entre o núcleo e a casca. 9
Fibra Óptica Multimodo de Índice Degrau Disposição simples do perfil de índices e dimensões relativamente grandes facilitam sua conectividade e fabricação. Assim, esse sistema se torna o mais econômico e o mais fácil de ser construído. Grande capacidade de captar energia luminosa, que advém da relativamente alta abertura numérica, o que permite a utilização de emissores mais baratos. Porém, os altos valores de abertura numérica trazem inconvenientes ao permitir que um elevado número de modos exista dentro da fibra. Isso causa o fenômeno da dispersão modal, o que reduz significantemente a banda das fibras multimodo de índice degrau e obriga esse tipo de fibra a ser utilizado somente em pequenas distâncias. 10
Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual Constitui uma evolução da Fibra Óptica Multimodo de Índice Degrau, projetada para prover uma melhor propagação dos Feixes de Luz incidentes na Fibra Óptica Multimodo. 11
Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual O núcleo não possui índice de refração constante, mas este aumenta progressivamente do eixo central até as bordas. Dessa forma, ocorre uma refração gradual à medida que os raios se aproximam das bordas. Foi projetada para adequarse às aplicações em sistemas de telecomunicações. São menores do que as fibras multimodo de índice degrau e possuem aberturas numéricas menores, que diminuem a quantidade de modos possíveis e aumentam a banda passante e a distância que essa banda pode atingir. Possui complexidade média de fabricação, mas que ainda mantém uma certa facilidade de conexão e tem uma capacidade de transmissão adequada às aplicações a que se propõe, mas ainda não pode ser usada em longas distâncias. 12
Fibra Óptica Multimodo Tabela 1: Vantagens e Desvantagens da fibra multimodo Vantagens O Núcleo sendo de grande diâmetro torna mais fácil o alinhamento, que é o caso de emendas, conectores, etc. Baixo custo, quando comparado a outros tipos de Fibra, não só da Fibra em si, mas também dos materiais agregados, como conectores, componentes eletrônicos e outros. Desvantagens Distâncias menores e limitadas, quando comparadas as Fibras Ópticas Monomodo. Taxas de Transmissão mais baixas, quando comparadas as Fibras Ópticas Monomodo. 13
Fibra Monomodo Caracterizado por possuir um núcleo finíssimo (de apenas alguns micrômetros) por onde há apenas um único caminho para a luz, ou seja, apenas um modo. Como as dimensões dos cabos são próximas aos comprimentos da luz incidente, a óptica geométrica não consegue explicar o que ocorre nas fibras monomodo, e, portanto, para os cálculos nesse tipo de fibra, deve-se tratar a luz como onda eletromagnética, e não mais como partícula. n1 n2 n1 Propagação da Luz em fibra óptica Monomodo 14
Fibra Monomodo A casca mantém seu tamanho inalterado em relação a das fibras multimodo, pois ela precisa ser espessa o suficiente para suportar os campos eletromagnéticos do modo transmitido. Como as dimensões tanto das Fibras Ópticas Multimodo quanto das Fibra Óptica Monomodo são muito pequenas, é praticamente impossível distingui-las a olho nu. Na prática usa-se um microscópio portátil, entretanto deve se tomar cuidado com Fibras que estejam ativadas, pois a Radiação Luminosa, que estas transportam, é invisível e como é altamente concentrada e intensa pode trazer danos permanentes ao olho humano. 15
Fibra Óptica Monomodo Tabela 2: Vantagens e Desvantagens da fibra monomodo Vantagens Distâncias maiores e ilimitadas, quando comparadas as Fibras Ópticas Multimodo. Taxas de Transmissão muito mais altas (superiores a 160 Gbit/s) quando comparadas as Fibras Ópticas Multimodo. Desvantagens Devido as dimensões do Núcleo da Fibra Óptica Monomodo serem extremamente reduzidas, isto torna difícil o alinhamento, que é o caso de emendas, conectores, etc. Alto custo, quando comparado á outros tipos de Fibra, não só da Fibra em si, mas também dos materiais agregados, como conectores, componentes eletrônicos e outros. 16
Referências "HowStuffWorks - Como funciona um cabo de fibra ótica?". Publicado em 15 de junho de 2000 (atualizado em 21 de janeiro de 2009) http://informatica.hsw.uol.com.br/cabo-fibra-otica.htm (01 de março de 2012) Craig Freudenrich, Ph.D.. "HowStuffWorks - Como funcionam as fibras ópticas". Publicado em 06 de março de 2001 (atualizado em 26 de setembro de 2007) http://informatica.hsw.uol.com.br/fibrasopticas1.htm (29 de fevereiro de 2012) Craig Freudenrich, Ph.D.. "HowStuffWorks - Como funciona a luz". Publicado em 10 de julho de 2000 (atualizado em 07 de maio de 2008) http://ciencia.hsw.uol.com.br/luz2.htm (29 de fevereiro de 2012) Wikipédia - http://pt.wikipedia.org/wiki/luz F. D. Nunes. Sistemas de Comunicação Óptica. http://poli.br/~pan/apostila%20de%20fibras%20%f3ticas/1%20-%20sistemas%20de%20comunica%e7%e3o%20%d3ptica.pdf Redes Ópticas - http://www.teleco.com.br/tutoriais.asp Processo de fabricação da Fibra Óptica: http://www.youtube.com/watch?v=ek9bblrkaya 17