Fibras ópticas

25
Óptica e Optoelectrónica 1- Fibras Ópticas (estudar o capítulo 24 do livro Pedrotti ) Um tratamento completo do comportamento da luz numa fibra óptica envolve o estudo das ondas electromagnéticas onde as equações de Maxwell são resolvidas para um meio dieléctrico sujeito às condições fronteira nas paredes da fibra. Neste texto é efectuado um estudo simplificado do comportamento da luz numa fibra óptica, ou seja, a propagação das frentes de onda é descrita por raios de luz, embora se fale de algumas propriedades das ondas tais como fase e interferência. Os sistemas de transmissão de dados com fibras ópticas utilizam as "janelas" criadas entres as faixas de absorção a 850nm, 1300nm e 1550nm, onde existe a fabricação de lasers e detetores. Fibras ópticas de plástico possuem uma faixa de comprimentos de onda mais limitada, que restringe o uso prático a fontes de luz de LEDs (Diodos Emissores de Luz) em 660nm. Aplicações das fibras ópticas Medicina- A utilização das fibras ópticas é muito importante em medicina, na confecção de endoscópios com feixes de fibras ópticas para iluminação e uso de fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser: cirurgias de descolamento de retina; desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traqueia); desobstrução de vias venosas ("limpeza" de canais arteriais) e também uso odontológico: aplicação de selantes. Sensores- Os sensores a fibras ópticas são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ou superiores ao similares convencionais. São usadas tanto fibras monomodo como multimodo. Existem muitos sensores comerciais feitos com fibras ópticas, para medição de temperatura, pressão,rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc. Comunicações- A fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Praticamente todas as aplicações de telefonia e CATV (TV a cabo) utilizam fibra monomodo em função das maiores taxas de transmissão e menores atenuações do sinal. Redes de dados que requeiram taxas de transmissão de gigabits também precisam utilizar fibra monomodo. A fibra multimodo é usada em sistemas de comunicação como LANs (Local Area Networks) e WANs (Wide Area Network) em campos universitários, hospitais e empresas. Elisabete Nogueira 1

Transcript of Fibras ópticas

Page 1: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1- Fibras Ópticas (estudar o capítulo 24 do livro Pedrotti )

Um tratamento completo do comportamento da luz numa fibra óptica envolve o estudo das ondas electromagnéticas onde as equações de Maxwell são resolvidas para um meio dieléctrico sujeito às condições fronteira nas paredes da fibra. Neste texto é efectuado um estudo simplificado do comportamento da luz numa fibra óptica, ou seja, a propagação das frentes de onda é descrita por raios de luz, embora se fale de algumas propriedades das ondas tais como fase e interferência. Os sistemas de transmissão de dados com fibras ópticas utilizam as "janelas" criadas entres as faixas de absorção a 850nm, 1300nm e 1550nm, onde existe a fabricação de lasers e detetores. Fibras ópticas de plástico possuem uma faixa de comprimentos de onda mais limitada, que restringe o uso prático a fontes de luz de LEDs (Diodos Emissores de Luz) em 660nm. Aplicações das fibras ópticas Medicina- A utilização das fibras ópticas é muito importante em medicina, na confecção de endoscópios com feixes de fibras ópticas para iluminação e uso de fibras como ponta de bisturi óptico para cirurgias a laser: cirurgias de descolamento de retina; desobstrução de vias aéreas (cirurgias na faringe ou traqueia); desobstrução de vias venosas ("limpeza" de canais arteriais) e também uso odontológico: aplicação de selantes. Sensores- Os sensores a fibras ópticas são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ou superiores ao similares convencionais. São usadas tanto fibras monomodo como multimodo. Existem muitos sensores comerciais feitos com fibras ópticas, para medição de temperatura, pressão,rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc. Comunicações- A fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Praticamente todas as aplicações de telefonia e CATV (TV a cabo) utilizam fibra monomodo em função das maiores taxas de transmissão e menores atenuações do sinal. Redes de dados que requeiram taxas de transmissão de gigabits também precisam utilizar fibra monomodo. A fibra multimodo é usada em sistemas de comunicação como LANs (Local Area Networks) e WANs (Wide Area Network) em campos universitários, hospitais e empresas.

Elisabete Nogueira 1

Page 2: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

O grande desenvolvimento das fibras ópticas teve origem na sua utilização em sistemas de Comunicação de voz, Vídeo e Transmissão de dados. A figura seguinte representa um exemplo de Sistema de comunicação. Diagrama esquemático

Atenuação e

distorção

Fibra óptica

AMPLIFICAÇÃO FILTRAGEM DESMODULAÇÃO

Sinal eléctrico

Luz

:SOM :VISUAL :DADOS

SAIDA

ALTIFALANTE CRT

COMPUTADOR

PROCESSADOR

DO

SINAL

DETECTOR

PIN ou APD

SOM:

VISUAL:

DADOS:

MODULADOR

A/D

FONTE DA

PORTADORA

( )λλ ∆±

Sinal eléctrico

Luz

LED- díodo emissor de luz LD- díodo Laser

ENTRADA

MICROFONE CAMARA VIDEO COMPUTADOR

Notas

• Modulador - transforma o sinal analógico em digital e imprime-o na onda portadora.

• Portadora ideal - onda com uma única frequência e com potência

adequada para propagar energia a longas distâncias através da fibra.

• Detector - transforma um sinal óptico em eléctrico (dispositivo semicondutor - díodo PIN, díodo avalanche ou fotomultiplicador).

Elisabete Nogueira 2

Page 3: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

As fontes da portadora, LED (Light Emiting Diode) ou LD (Laser Diode), são caracterizadas por uma banda de frequência com um comprimento de onda central λ e uma largura de banda espectral ∆λ. Neste aspecto o laser díodo é melhor que o LED pois aproxima-se duma fonte ideal (uma só frequência). Para conter a informação a ser transmitida, a onda portadora pode ser modulada de várias formas AM - Modulação de amplitude Sinal portadora modulação

FM – Modulação de frequência

Modulação digital

Elisabete Nogueira 3

Page 4: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Notas informativas A capacidade de qualquer sistema de transmissão de dados com fibras ópticas depende da potência óptica no receptor. Tanto muito pouca potência como potência demais causam altas taxas de erro. No primeiro caso devido a ruídos e no segundo caso devido à saturação do amplificador do receptor. A potência no receptor depende de dois fatores básicos: quanta potência é lançada na fibra pelo transmissor e quanta é perdida por atenuação nos cabos de fibras ópticas que ligam o transmissor e receptor. As ligações em transmissão de dados podem ser tanto analógicos (tais como AM CATV ou monitores coloridos RGB), quanto digitais (tais como SONET, Ethernet, FDDI ou ESCON). A fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um repetidor. Repare que

Aqa d PrfibatRepr AAhom O traÉ Fiacnase

5 e 10 mm de diâmetro do núcleo capacidade de transmissão superior

ueles diâmetros limitam a luz transmitida somente a um modo principal, o que minimiza istorção dos pulsos de luz, aumentando a distância em que o sinal pode ser transmitido.

aticamente todas as aplicações de telefonia e CATV (TV a cabo) utilizam a ra monomodo em função das maiores taxas de transmissão e menores

enuações do sinal. des de dados que requeiram taxas de transmissão de gigabits também

ecisam utilizar a fibra monomodo. fibra multimodo é usada em sistemas de comunicação como LANs (Local rea Networks) e WANs (Wide Area Network) em campos universitários, spitais e empresas. Com o núcleo relativamente grande, a fibra multimodo é ais fácil de conectar e unir.

diâmetro de seu núcleo é largo em comparação ao comprimento de onda da luz nsmitida. Por isso, a fibra multimodo propaga mais que um modo de luz. a fibra escolhida para aplicações de curta distância consistindo de numerosas conexões.

bras multimodo de índice gradual também são preferidas quando o bom oplamento com a fonte de luz é mais importante do que a atenuação do sinal fibra, ou ainda quando há preocupação com radiação, uma vez que estas fibras podem

r construídas com núcleo de pura sílica que não é grandemente afetado pela radiação.

Elisabete Nogueira 4

Page 5: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.1- Potencial de Transmissão de Informação Quanto mais complicado fôr o sinal a transmitir maior é a gama de frequências necessária para o representar. A informação a transmitir numa fibra óptica está relacionada com o número de impulsos distintos enviados num dado intervalo de tempo. Quanto mais impulsos forem enviados naquele intervalo de tempo, maior a informação transmitida, o que implica em: Informação digital maior taxa de bits (bits/segundo) Informação analógica frequência mais alta A capacidade da onda portadora aumenta directamente com a largura de banda disponível.

Banda de LarguraPortadora da FrequênciaITP =..

O P.T.I. dá uma medida do número de canais separados que podem ser impressos na portadora. Exemplos

• Telefone (um canal) A gama de frequências requerida para modular a portadora é 4 KHz.

• Estação Emissora TV

Largura de banda em som e vídeo - 6 MHz Portadora numa emissora de TV - 300 MHz

canais ITP 506

300... ==

• Fibra óptica Portadora (1 µm)

MHzcf cf cT 810*3;; =λ

==λ=λ

!canais! ITP 6

8

10*50610*3... ==

Elisabete Nogueira 5

Page 6: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.2- Tipos de Fibras Ópticas A Fibra Óptica é composta de um núcleo e uma casca ou bainha. Uma ou várias camadas de material amortecedor de impacto e resistente à tensão mecânica (buffer) podem também estar presentes, para proteger fisicamente a fibra e evitar interferências externas.

.

.

núcleo

Material de protecção bainha 1.2.1- Fibras ópticas S.I. (Step Index)

1.2.2- Fibras ópticas GRIN (Graded Index)

Elisabete Nogueira 6

Page 7: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.3 - Fibras ópticas do tipo S.I.

Raio Meridional - raio que está contido num plano que contém o eixo central

(eixo óptico) da fibra. Os raios que incidem com ângulos θ < θm sofrem reflexão interna total (R.I.T.) no interior da fibra, como mostra a figura anterior. O raio B, define o ângulo externo, ou seja, define o cone de raios que satisfazem a condição de R.I.T. 1.3.1- Abertura Numérica (N. A. - Numerical Aberture) Pela Lei de Snell o ângulo crítico para a interface (n2 < n1) é dado por:

n1.senϕc = n2.sen90º senϕc = n2/ n1

Na interface (n0 n1) temos:

n0.senθm = n1.senθ’m θ’m = 90º- ϕc

senθ’m = cosϕc

Elisabete Nogueira 7

Page 8: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Cm nn ϕθ cossen 10 =

cc sencos ϕ−=ϕ 21

21

22

10 1sennnnn m −=θ

senn 2

2210 nnm −=θ

N.A. A abertura numérica de uma fibra óptica traduz a sua habilidade em captar luz. 1.3.2- Distância entre reflexões sucessivas (Skip Distance) Skip Distance - é a distância Ls, paralela ao eixo da fibra, entre duas reflexões

sucessivas dum raio de luz que se propaga no interior da fibra.

''1

''cos'cot

2

θθ−

=θθ

=θ=sen

sendsen

dgdLS

Elisabete Nogueira 8

Page 9: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

θθθθ sen'sen 'sen.sen. 00

ff n

nnn =⇒=

1sen.

. 2

0

=

θnn

dL fS

Para o raio mais inclinado incidente na fibra vem

22.

Cf

CS

nnndL

−=

Na prática é mais importante o número de reflexões por metro de fibra, ou seja, a razão

⇒ metroreflexões LS

1

Exemplo de fibras ópticas com diâmetro do núcleo φ=100µm e θi=θmax Núcleo

Bainha

n0

nf

nc

ϕc

θmax

A.N.

1/LS

Vidro

Ar

1

1.50

1.0

41.8º

90.0º

1

8944

Vidro

Plástico

1

1.46

1.40

73.5º

24.5º

0.41

2962

Vidro

Vidro

1

1.48

1.46

80.6º

14.0º

0.24

1657

• O número de reflexões por metro de fibra, diminui à medida que os

índices de refracção do núcleo e da bainha se aproximam.

Elisabete Nogueira 9

Page 10: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.3.3- Modos de Propagação Nem todos os raios que entram numa fibra dentro do cone de aceitação, podem propagar-se com sucesso através da fibra. Recorde que os raios representam ondas electromagnéticas planas que se propagam dentro da fibra. Modo de propagação é uma direcção de propagação de energia da luz dentro da fibra. É uma configuração geométrica possível dos vetores campo elétrico e campo magnético, distribuída transversalmente à direção de propagação do vetor de onda.

Modo axial - propagação da energia segundo o eixo da fibra. Modos de ordem elevada - todos os outros caminhos

Em relação ao número de modos que se propagam numa fibra, podemos considerar as fibras

Monomodo - um só modo de propagação de energia. Multimodo - coexistem vários modos de propagação de energia.

1.3.3-1 – Modos permitidos numa guia de onda plana O estudo da propagação da luz na guia de onda serve para mostrar as razões físicas na restrição dos modos. As ondas electromagnéticas planas que se propagam no interior da guia de onda sobrepõem-se na mesma região produzindo interferência. Somente as ondas que cumprem a condição de ressonância (interferência construtiva) se mantêm ao longo da guia. Os pontos A e C da figura ficam numa frente de onda comum. Se a diferença de fase que existe entre A e C fôr múltipla de 2π, então existe I.C. e os raios, ou seja, as direcções de propagação correspondentes são permitidas.

Elisabete Nogueira 10

Page 11: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Elisabete Nogueira

A diferença de fase entre A e C tem duas componentes

• diferença de percurso óptico • variação da fase introduzida nas reflexões (ver Equações de Fresnel)

Recorde (equações de Fresnel) na passagem da luz dum meio com índice nf para outro com nc (nc < nf) se os ângulos de incidência são superiores ao ângulo crítico, o coeficiente de reflexão em amplitude r⊥ sofre uma variação de fase que no máximo é de π. Logo para duas reflexões, a variação de fase total é 2φr. Assim a diferença de fase entre A e C vem

11

( ) meionBCAB +=∆

BAAB ' CAA' elo =⇒∆P

ϕcos.2' dBCBA =+

ϕ=∆ cos..2 dn f

πφ

λϕ

+cos rf dn

m =..2

A diferença de percurso óptico é dada por

Portanto o número de modos permitidos será

πφλπ mr 222

=+∆ m é nº inteiro

No máximo = 1 e portanto desprezável face ao outro termo

Page 12: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

O numero máximo de modos permitidos verifica-se quando cosϕ = cosϕc

cfmcf nnnnAN ϕθ cos.sen... 022 ==−=

.).( 2

2 22

ANdm

nndm

max

cfmax

λ

λ

=

−=

1.).( 2+= ANdmmax λ

2

..21

= ANdmmax λ

π

<<

.. 4.2

.. 4

NAd

NAd

πλπλ

*

( )c

cm

c

mfn

ϕϕθ

ϕ

θ

cosº90sensen

º90

sen.

'

'

==−=

=

m

mn

θ

θsen.'

0

=

cfm nn ϕθ cos.sen.0 = Por outro lado: Para acautelar o modo m = 0 (travessia segundo o eixo da fibra) adiciona-se mais um modo. Além disso, uma vez que são possíveis duas polarizações independentes para a propagação duma onda plana o número total de modos deve ser o dobro do valor mmax. Para uma fibra cilíndrica este estudo é mais complicado embora tenha por base os mesmos princípios físicos. Fibra cilíndrica (S.I.) ⇒ Fibra monomodo (S.I.) ⇒ (m < 2)

Elisabete Nogueira 12

Page 13: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.4- Atenuação numa fibra óptica A luz que se propaga através duma fibra óptica perde invariavelmente energia, ou seja há atenuação ou diminuição da intensidade que existia à entrada da fibra. Consoante o tipo de mecanismo pelo qual existe perda de intensidade na luz que se propaga na fibra, as perdas dizem-se intrínsecas e extrínsecas. 1.4.1- Perdas extrínsecas

Não homogeneidades Efeitos geométricos Acoplamento fibra-fonte

Perdas extrínsecas

Não homogeneidades As não homogeneidades cujas dimensões são muito maiores que o comprimento de onda da luz, podem resultar de

• mistura dos materiais do núcleo e bainha no momento da solidificação • imperfeição na interface núcleo-bainha

Efeitos geométricos

As irregularidades de natureza geométrica incluem curvas aguçadas, bem como micro defeitos como mostram as figuras seguintes. Estas duas causas provocam perda de radiação uma vez que a condição de reflexão interna total deixa de se verificar.

Nota – repare que os micro defeitos podem originar acoplamento de modos. Na figura anterior, existe conversão de um modo mais baixo para um modo mais elevado.

Elisabete Nogueira 13

Page 14: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Acoplamento fibra-fonte As perdas no acolpamento da fonte de luz à fibra são devidas a:

• restrições impostas pela abertura numérica à entrada da fibra

• perdas devido a reflexões inevitáveis na interface (perdas Fresnel)

• perdas por má adaptação do padrão da radiação e tamanho da fonte à entrada e saída da fibra.

• perdas por desalinhamento lateral e angular nas uniões (acopladores, ligadores, splices).

• Incompatibilidade entre separação e abertura numérica.

1.4.2- Perdas intrínsecas As perdas intrínsecas são perdas de absorção

Material do núcleo Impurezas residuais Espalhamento Rayleigh

Perdas de absorção

Material do núcleo O material do núcleo que é a sílica nas fibras de vidro, absorve na regiões das bandas de transição electrónica e molecular. Observe a figura da página seguinte onde se pode ver um mínimo de absorção para 1.3µm.

• A absorção no infravermelho é devida às bandas de vibração molecular. • A forte absorção no ultravioleta é devida às bandas de vibração

electrónica e molecular. Quer uma quer outra absorção diminuem à medida que o comprimento de onda se aproxima da região do visível.

Elisabete Nogueira 14

Page 15: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Impurezas residuais Na figura podemos observar que o ião metálico de transição hidroxil tem grande absorção nos comprimentos de onda 0.95, 1.23 e 1.73µm.

As impurezas residuais provocam grande absorção Espalhamento Rayleigh O espalhamento Rayleigh é devido às imperfeições ou não homogeneidades microscópicas, ou seja com dimensões muito menores do que o comprimento de onda da luz. A origem deste espalhamento está na variação localizada

• da densidade do material do núcleo • do índice de refracção do material do núcleo

As perdas por absorção num comprimento L de fibra são descritas pela expressão: LeII α−= 0 em que α é o coeficiente de absorção ou atenuação da fibra, que é função

• do comprimento de onda • do ângulo de incidência

do ângulo de incidência uma vez que para o mesmo comprimento axial de fibra L, os raios que incidem na parede da fibra com ângulos de incidência mais pequenos, percorrem distâncias maiores.

Elisabete Nogueira 15

Page 16: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Nas fibras ópticas, a equação que define este coeficiente em decibeis é

=

2

1log10PP

dbα α é negativo para amplificação em que P1 e P2 referem-se aos níveis de potência da luz que atravessa as secções (1) e (2) na figura seguinte. A distância z é normalmente de 1km. As figuras seguintes mostram as curvas de variação da atenuação em função do comprimento de onda, para fibras de vidro multimodo e fibras de plástico.

Elisabete Nogueira 16

Page 17: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.5 - Perda de informação numa fibra óptica A luz transmitida numa fibra pode perder informação devido a diferentes mecanismos:

• Distorção Modal • Dispersão do material • Dispersão da guia de onda

1.5.1 - Distorção Modal numa fibra S.I. (Step Index) Os raios que incidem na fibra segundo os ângulos superiores seguem percursos mais longos e portanto demoram mais tempo a atingir o outro extremo da fibra do que os raios que incidem próximo do eixo da fibra. Assim um impulso com uma certa duração, entra na fibra e chega ao outro extremo com um alargamento temporal. A este fenómeno dá-se o nome de Distorção Modal. A figura seguinte traduz este fenómeno duma forma esquemática.

cLn

ncL

vLt f

ff

min ===

c

Llϕsen

=Pela figura deduz-se que Por outro lado

c

f

f

cc n

Lnl

nn

=⇒= senϕ

Elisabete Nogueira 17

Page 18: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

c

f

cf

f

fmax nc

Lnnv

Lnvlt

.

2

=== Logo

−=

−=∆

1 c

ff

minmax

nn

cLn

ttt

−=

∆ 1

.. c

ff

IS nn

cn

Lt

Assim a distorção modal numa fibra óptica do tipo S.I. traduz o valor do aumento da duração do impulso por unidade de comprimento da fibra. O alargamento temporal do impulso tem por consequência um alargamento espacial do impulso que se obtém pela expressão tv f ∆=∆λ

Limita a taxa máxima de envio de informação através da fibra

Elisabete Nogueira 18

Page 19: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.5.2- Distorção modal numa fibra GRIN (GRaded INdex) Neste tipo de fibras, o índice de refracção do núcleo tem uma variação parabólica em função da distância ao eixo óptico, onde atinge o valor máximo, com a expressão

( )[ ]max

0

rnn

n

nna r

f

f

cf

=

−=∆

≤≤

( ) ∆

−=

α

arnrn f 21

α = 1 variação triangular

∆ é a variação fraccional de índice α = 2 variação parabólica α = ∞ fibra S.I. O parâmetro α é escolhido de forma a minimizar a dispersão modal. Para um coeficiente α=2, existe uma menor dispersão modal relativamente às fibras S.I. Assim, o processo de propagação dos raios no interior da fibra é por refração contínua e não por reflexão interna total como na fibra S.I. Logo para cada ponto do percurso é válida a lei de Snell e não a reflexão interna total da luz. Na figura seguinte estão desenhadas linhas isócronas que representam a propagação das ondas dentro da fibra. As fibras GRIN também possuem ângulo de aceitação uma vez que a refracção pode não ser suficiente para conter raios que fazem ângulos profundos com o eixo da fibra.

Elisabete Nogueira 19

Page 20: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

A dedução da expressão matemática para calcular a distorção modal duma fibra GRIN (α = 2) é bastante complexa.

∆∆=∆=

=c

nc

nLt ff

GRIN 2

2 2

Comparação com a distorção modal numa fibra S.I.

−=

ncnn

cn

Lt cff

IS

..

c

ff

c

f

IS nn

cn

cnn

Lt .

.

2

..

∆=∆=

..22

IS

GRIN Lt

Lt

∆∆

∆∆≈

=c

nLt f

GRIN 2

Factor de melhoria face à fibra S.I.

Elisabete Nogueira 20

Page 21: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.5.3- Dispersão do material numa fibra Os meios materiais usados em óptica são meios dispersivos. O índice de refracção nestes materiais é função do λ da luz que o atravessa. Assim Meio dispersivo - a velocidade de propagação duma onda depende do

comprimento de onda da luz incidente. Sabemos que uma fonte de luz, nunca é perfeitamente monocromática, ou seja, tem sempre uma largura de banda (conjunto de comprimentos de onda em torno do valor central) como mostra a figura seguinte. (consulte o site de fontes de luz)

∆λ - largura espectral da fonte de luz.

Mesmo que não haja distorção modal, existe sempre alargamento do impulso porque o índice de refracção do material é dependente do comprimento de onda da luz, como mostra a figura seguinte. A luz incidente na fibra com uma certa uma largura de banda, vai propagar-se com diferentes velocidades (n=c/v) dentro da fibra. Este facto dá origem a distorção do sinal. Distorção do sinal - cada componente da luz com comprimento de onda diferente, chega à saída da fibra em tempos ligeiramente diferentes provocando alargamento do impulso.

Elisabete Nogueira 21

Page 22: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

A figura seguinte apresenta duma forma esquemática o fenómeno da distorção do material. A velocidade de propagação dum impulso numa fibra é a velocidade de grupo vg. O tempo t necessário para que um sinal de frequência angular ω, viaje uma certa distância L vem

( ) ( ) ( )λπ

ωωω

ω 2 /

===

kcdkdv

vLt g

g

Se o sinal tiver uma largura de banda ∆ω, então o alargamento nos tempos de chegada, por unidade de comprimento vem expresso por ( )

( )

⇒∆−≡

∆−=

∆=

=

kmnmpsMM

dnd

cLt

dkd

vdd

Lt

g

. .

..

.

.1

2

2

2

2

λ

λλ

λδ

ωω

ωω

δ A grandeza M é uma propriedade do material do núcleo que envolve um prefactor λ/c e a segunda derivada da dispersão (variação de n com λ).

Elisabete Nogueira 22

Page 23: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

A figura seguinte mostra os valores de M, ou seja, a dispersão (ps/nm-km) em função do comprimento de onda para sílica pura.

Note que a curva do gráfico passa por zero para λ=1.27µm. Por isso escolhendo uma fonte de luz adequada pode reduzir-se a distorção por dispersão do material. Notas – O alargamento do impulso devido à dispersão do material é muito mais pequeno do que aquele que é devido à distorção modal. A distorção do material só se torna significativa quando a distorção modal é bastante reduzida quer em fibras monomodo e fibras GRIN.

Elisabete Nogueira 23

Page 24: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

1.5.4- Dispersão da guia de onda O alargamento dum impulso que é transmitido através duma fibra óptica também pode acontecer por efeitos geométricos que dependem dos parâmetros da guia de onda. Comparado com a distorção modal e com a dispersão do material, a dispersão da guia de onda é um efeito pequeno que se torna importante apenas quando os outros fenómenos que provocam o alargamento do impulso forem bastante reduzidos. Contudo é importante contabilizar a dispersão da guia de onda para determinar o comprimento de onda para o qual a dispersão própria da fibra é zero. A dispersão do índice de refracção com o comprimento de onda dá origem à dispersão do material. Designa-se por índice de refracção efectivo neff para a guia de onda

geff v

cn = A dispersão de guia de onda dá origem à variação de neff com o comprimento de onda para um diâmetro fixo de fibra, mesmo na ausência da dispersão do material. O índice de refracção efectivo vem expresso por ϕ= sennneff 1 Recorde que ϕ é o ângulo de incidência na interface fibra/bainha. Este ângulo varia entre 90º e o ângulo crítico ϕc. Como o ângulo crítico é a razão entre n2/n1 então o índice de refracção efectivo varia entre n1 (ϕ=90º) e n2 (ϕ=ϕc). Assim o índice de refracção efectivo para um raio axial depende só do índice do núcleo e para um raio segundo o ângulo crítico depende só do índice da bainha. A variação daquele índice é pequena (n1-n2). Na figura seguinte está representada esta dispersão de uma forma simbólica.

Elisabete Nogueira 24

Page 25: Fibras ópticas

Óptica e Optoelectrónica

Para um dado modo, o ângulo entre o raio e o eixo da fibra varia com o comprimento de onda. Então o percurso dos raios e os respectivos tempos de percurso para dois comprimentos de onda são diferentes dando origem ao alragamento do impulso. Quantitativamente a dispersão de guia de onda pode ser expressa pela equação da dispersão de material introduzindo o índice de refracção efectivo.

λ∆−≡λ∆λ

λ−=

τδ ´

2

2

)( Md

ndcL

eff Os valores de M´ para o quartzo fundido variam entre 1 a 4.5 ps/nm-km. Repare que M varia entre 165 a –30 ps/nm-km dentro da gama espectral 0.7 a 1.7µm e é zero para 1.27µm. Contudo a dispersão de guia de onda ainda é positiva e por isso o comprimento de onda para o qual a dispersão própria da fibra é zero acontece para valores superiores (1.31µm). Para modificar as curvas de dispersão podem utilizar-se várias camadas de bainha, controlo da diferença de índices entre o núcleo e a bainha e ainda variação do perfil do parâmetro α nas fibras GRIN. Formas de reduzir o alargamento dos impulsos

• Fibras monomodo para eliminar a distorção modal • Fontes de luz de pequena gama espectral para reduzir a dispersão do

material • Fontes de luz que operem numa região espectral onde a atenuação e a

dispersão sejam tão baixas quanto possível.

Elisabete Nogueira 25