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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
FIBRAS ÓPTICAS
1
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.
N2
Casca
N1
Núcleo
N2
N1
N2
2
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 NÚCLEO DE
ÍNDICE GRADUAL ou FIBRA ÍNDICE GRADUAL.
N2
N1
N2
N2
Casca
Núcleo
N1
3
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 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.
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TIPOS DE FIBRAS
Fibra Multimodo
Núcleo
Casca
50µm 125µm 250µm
Camada de
silicone
Camada de
silicone
Capa plástica
5
370µm
900µm
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 (N1) for maior do
que o meio para onde a onda estaria indo (N2).
N2
Fonte
luminosa
NAR
N1
N2
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ABERTURA NUMÉRICA
• 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
7
NUMÉRICA da fibra.
ABERTURA NUMÉRICA
N2
Casca
NAR
θ2
θ1
Eixo da fibra
θi
N1
Núcleo
N2
8
ABERTURA NUMÉRICA
• Existem duas formas de calcular a Abertura Numérica:
sen(θ 1 ) N AR
1
=
=
sen(θ i )
N1
N1
• 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,
sen(θ 1 ) =
 N2 

1 − 
 N1 
2
9
ABERTURA NUMÉRICA
2
 N2 

1 − 
1
 N1 
=
sen(θ i max )
N1
2

 N2  

 =
sen(θ i max ) = N1 1 − 

N1  



• Abertura Numérica:
AN = sen(θ i max ) =
N12 − N 22
N12 − N 22
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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:
N2
sen(θ c ) = sen(θ 2 ) =
N1
θ 1 + θ 2 + 90° = 180°
11
ABERTURA NUMÉRICA
sen(θ i max )
N1
N1
=
∴ sen(θ i max ) = sen(θ 1 ) ⋅
sen(θ 1 )
N AR
N AR
N1
AN = sen(θ i max ) = sen(θ 1 ) ⋅
N AR
• Ângulo de aceitação:
θ ac = 2 ⋅ AN
12
ABERTURA NUMÉRICA
• Cone de aceitação:
Casca
θac
Núcleo
13
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):
π∗d
V=
∗AN
λ
• Onde: V → frequência normalizada;
d → diâmetro do núcleo;
λ → comprimento de onda do feixe luminoso;
AN → abertura numérica.
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MODOS DE PROPAGAÇÃO
• O número de modos é definido por:
2
V
N m→
= para fibras ópticas índice gradual;
4
2
V
N m→
= para fibras ópticas índice degrau;
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.
17
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)
18
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.
21
FIBRA MONOMODO
22
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:
3/ 2
W 0=a [0,65+0,434(
Onde:
6
λ
λ
) +0,0149( ) ]
λc
λc
a → raio do núcleo da fibra
λ → comprimento de onda
λc → comprimento de onda de corte
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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;
V =2,405
λc
λ0
• 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;
2,405=
2πa
N 21− N 22
√
λc
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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×w 2
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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
• Distribuição de energia em fibras tipo índice degrau, multimodo (MM) e monomodo
(SM):
A distribuição de energia
nas fibras MM está confinada
no núcleo.
Nas fibras SM, o máximo de distribuição
de energia ocorre o centro do núcleo
(sombreado mais escuro = maior energia)
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DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
• MM – ID:
27
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
• MM – IG:
28
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
• SM – ID
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