Aula 4 - Fibras Ópticas

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Fibras Ópticas.
Componentes centrais básicas de um sistema de transmissão óptica.
Atuam como condutores de radiação infravermelha.
As fibras ópticas são fios longos e finos de vidro muito puro, na forma cilíndrica, transparente e flexível.
O diâmetro de uma fibra óptica é aproximado a um fio de cabelo humano.
Meio delgado e flexível composto basicamente de um material dielétrico, em geral sílica ou plástico.
Sua geometria cilíndrica permite que a energia luminosa se propague ao longo do cilindro central denominado núcleo (core).
Diâmetros do núcleo de uma fibra: 
50; 62,5; 82,5 ou 100 µm.
Utilizam o fenômeno da refração interna para transmitir feixes de luz a longas distâncias.
Conforme visto em aula anterior, uma única fibra ótica pode suportar taxas de transmissão elevadíssimas, de até dezenas ou mesmo centenas de gigabits por segundo (James F. Kurose).
Cabos destinados a redes locais contêm, tipicamente, um único fio de fibra.
As fibras ópticas também podem ser dispostas em feixes chamados cabos ópticos e utilizadas para transmitir sinais de luz ao longo de grandes distâncias.
Nesse caso, os cabos são destinados a enlaces de longa distância e contêm várias fibras.
Cabo Contendo Várias Fibras Ópticas
Garantia de utilização das fibras ópticas: 25 anos.
Temperaturas de operação das fibras ópticas: variam entre os -40ºC e +80ºC.
Modelo Físico das Partes de uma Fibra Óptica
Fonte:  http://www.tecmundo.com.br/imagens//materias/9862/infografico-tecmundo-9862.jpg 
Estrutura da fibra óptica:
Capa Protetora ou Revestimento (Coating):
Revestimento plástico (acrílico em dupla camada) cuja finalidade é envolver e proteger mecanicamente a fibra de danos e umidade. 
Núcleo:
Cilindro central da fibra por onde se propaga a energia luminosa.
Núcleo de vidro muito fino, feito de sílica.
Índice de refração n1 do núcleo é mais elevado do que na zona circundante. 
Cladding (Casca ou Bainha). 
Camada de revestimento constituída de material dielétrico, normalmente sílica e que envolve o núcleo.
Possui índice de refração n2 menor que o núcleo, para que a luz transmitida seja refletida pelas paredes internas do cabo.
Faz com que a luz permaneça no núcleo.
n1núcleo > n2casca
Geometria da Fibra Óptica
As figuras a seguir apresentam a estrutura básica de uma fibra óptica, identificando:
Estrutura cilíndrica de uma fibra óptica
Seção transversal de uma fibra óptica
Figuras extraídas do livro
Fibras Ópticas, Tecnologia e Projeto de Sistemas
Giozza, Conforti, Waldman
Corte longitudinal de uma fibra óptica
Perfil de Índices
Figuras extraídas do livro
Fibras Ópticas, Tecnologia e Projeto de Sistemas
Giozza, Conforti, Waldman
Vista em corte longitudinal e em corte transversal de uma fibra óptica.
Núcleo e a casca sem as camadas de proteção externas.
Figura e texto extraídos do artigo
Características da Propagação em Fibras Ópticas
José Antônio Justino Ribeiro 
Instituto Nacional de Telecomunicações
Vista em corte transversal de uma fibra óptica, apresentando o núcleo, a casca e as camadas de proteção.
 
As dimensões indicadas estão em micrometros.
Figura e texto extraídos do artigo
Características da Propagação em Fibras Ópticas
José Antônio Justino Ribeiro 
Instituto Nacional de Telecomunicações
Perfil de Índice de Refração:
Refere-se à variação do índice de refração ao longo da estrutura da fibra óptica.
Índice Degrau:
Ocorre quando o índice de refração do núcleo n1 é constante e ligeiramente superior ao índice de refração da casca n2.
O perfil da fibra é denominado de degrau.
Nesse caso a fibra é denominada de fibra ID.
A figura a seguir mostra o tipo de fibra ID.
Fibra Índice Degrau – ID
Índice Gradual:
Ocorre quando o índice de refração n1 do núcleo varia continua e gradualmente, diminuindo radialmente, na maioria das vezes de forma quadrática, do centro da fibra para a casca que possui índice de refração n2.
O perfil da fibra é denominado de gradual.
Nesse caso a fibra é denominada de fibra IG.
A figura a seguir mostra o tipo de fibra IG.
Fibra Índice Gradual - IG
Materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas:
Sílica pura ou dopada (as mais usadas em sistemas de telecomunicações);
Vidro composto;
Plástico.
Ângulo de Aceitação e Abertura Numérica das Fibras Ópticas
Consideremos uma fonte que irradia um raio luminoso.
A propagação de ondas em um guia de ondas dielétrico como as fibras ópticas, em uma análise do ponto de vista da óptica geométrica, ocorre a partir de múltiplas reflexões internas totais.
Esse raio penetra no núcleo da fibra segundo um angulo θi em relação ao seu eixo.
Devido a refração, esse raio se propaga no interior da fibra com um angulo θt.
Caso a onda incida na casca com um ângulo menor que o ângulo crítico, não haverá reflexão total da onda no núcleo. 
Por esse motivo, uma parte da energia do sinal será transferida para a casca.
Esse processo representa perda de energia porque a parcela da onda que se transfere para a casca não é aproveitada.
Qualquer raio incidente com ângulo maior que o ângulo crítico não é mais refratado e sim, refletido totalmente. 
Esse efeito de reflexão interna total é o princípio de funcionamento das fibras ópticas.
O ângulo de aceitação é o parâmetro que define o máximo valor do ângulo θi que permite guiar a onda dentro do núcleo da fibra.
É o ângulo de incidência limite acima do qual os raios luminosos que penetram na fibra óptica não serão transmitidos.
O ângulo de aceitação representa o ângulo máximo de incidência que um raio deve ter, em relação ao eixo da fibra, para que ele sofra a reflexão interna total no interior do núcleo e se propague ao longo da fibra através de reflexões sucessivas.
Define o quanto de luz da fonte emissora será propagada pela fibra óptica
Esse ângulo caracteriza o que se denomina de Abertura Numérica.
Maior a abertura numérica representa maior a capacidade de captação de luz de uma fibra.
Abertura numérica elevada, no entanto, permite a existência de mais modos de propagação.
Mais modos causam maior dispersão modal e reduz a largura de banda da fibra.
Figura extraída do livro
Fibras Ópticas, Tecnologia e Projeto de Sistemas, de Giozza, Conforti, Waldman
Consideremos a equação:
Se um dos meios é o ar, a equação anterior se torna:
O ângulo θt é complementar ao ângulo de incidência θi na fronteira entre o núcleo e a casca.
Portanto, podemos considerar que:
Para que haja reflexão total, sabemos que:
Em que sen θc é o ângulo crítico.
Portanto, nesse caso, sen θt = sen θc e: 
 
Da expressão trigonométrica, temos que:
Substituindo na expressão da relação entre os senos e considerando o ar como um dos meios, encontramos:
Essa expressão corresponde à abertura numérica da fibra óptica
A abertura numérica indica a capacidade da fibra de captar luz.
O conhecimento da abertura numérica é importante para descrever a energia luminosa e permitir o calculo da eficiência de acoplamento entre a fonte irradiante e a fibra óptica.
Expressa o quão divergente pode ser uma fonte de luz tal que seus raios sejam guiados pela fibra.
A abertura numérica também pode ser expressa em termos da diferença relativa de índices de refração Δ entre o núcleo e a casca da fibra. 
No caso de Δ <<< 1 (n2 ~ n1), caso prático na maioria das aplicações de fibras ópticas utilizadas em comunicações:
Normalmente, para fibras com índice degrau, Δ << 1, pode-se obter o valor aproximado de NA como:
Abertura numérica e sua relação com o número de modos em uma fibra
Modos de propagação
São todos os caminhos ou trajetórias que os raios luminosos podem percorrer dentro de uma fibra.
São todas as possíveis soluções das equações de Maxwell sujeitas às condições de contorno impostas pelo guia de ondas.
São determinadas sob as condições de contorno impostas pelo tipo de guia de onda:
Geometria cilíndrica;
Meio dielétrico.
Como se trata de transmissão de sinalluminoso guiado, para um determinado comprimento de onda existe uma quantidade máxima de modos de propagação através da fibra óptica.
Cada modo corresponde a um valor específico de θt indicado na figura a seguir, característico de cada raio que se propaga na fibra.
Tipos de modos de propagação em guias de onda
	Modos
	Sigla
	Características
	Transversal Eletromagnético
	TEM 
	Campos elétrico e magnético não possuem componentes na direção da propagação da onda 
	Transversal Elétrico
	TE 
	Campo elétrico não possui componente na direção de propagação da onda. 
	Transversal Magnético
	TM 
	Campo magnético não possui componente na direção de propagação da onda. 
	Híbrido
	HE ou EH 
	Campos elétrico e magnético possuem componentes na direção de propagação da onda. 
Especificada a AN, a quantidade de modos guiados decresce à medida em o diâmetro do núcleo diminui.
Por outro lado, se d >> λ, pode haver a propagação de centenas ou milhares de modos diferentes.
Número de modos suportados por uma fibra:
Pode variar de 1 a 100.000. 
No caso de uma luz de comprimento de onda λ, a quantidade de modos guiados é definida por uma expressão, mostrada a seguir, cuja grandeza adimensional é chamada de frequência normalizada V. 
V é a frequência normalizada.
d é o raio do núcleo.
λé o comprimento de onda da luz.
AN é a abertura numérica. 
Considerando a expressão de AN 
e substituindo-a na expressão anterior de V, encontramos:
Numero de modos de propagação.
É determinado pela função V, para cada tipo de perfil de índice de refração.
Em fibras ID, para valores de V > 10, podemos calcular, pela aproximação a seguir, o numero de modos N, considerando-se todas as polarizações:
Determinar o numero de modos que podem se propagar em uma fibra ID, cujo diâmetro do núcleo é igual a 50 µm. São dados:
Exercício extraído do livro
Projeto de Sistemas de Comunicações Ópticas
José Roberto de A. Amazonas
n1 = 1,47
n2 = 1,45
λo = 0,82 µm.
Solução
Aplicando a expressão de V e substituindo os valores dos parâmetros, encontramos:
Na expressão de N, encontramos o numero de modos de propagação.
Em fibras IG, o numero de modos de propagação, considerando a aproximação Δ << 1, pode ser obtido pela seguinte expressão:
em que
α é o parâmetro que descreve a variação do perfil de índice de refração.
Determinar o numero de modos de propagação em uma fibra IG com as mesmas características do exemplo anterior e mesmo comprimento de onda, em que o parâmetro do perfil de índice de refração α = 2.
Exercício extraído do livro
Projeto de Sistemas de Comunicações Ópticas
José Roberto de A. Amazonas
Solução
Se a fibra possui as mesmas características da fibra anterior, o numero V é o mesmo.
Assim, N é obtido pela expressão a seguir. 
Duas classes principais de fibras ópticas: 
Monomodo ou Fibras de Modo Único (SMF – Single Mode Fiber):
Apenas o modo fundamental é propagado na frequência de operação desejada.
Multimodo ou Fibras de Modo Múltiplo (MMF – Multiple Mode Fiber): 
As fibras multimodo possuem diversos modos de propagação, permitindo que a luz viaje por diversos caminhos diferentes.
Fibras Monomodo:
Nas fibras monomodo a luz percorre apenas um caminho no interior da fibra óptica.
A propagação da luz se dá em apenas um modo, de menor ordem.
A transmissão da luz ocorre em linha quase reta, apenas na direção axial.
Isso ocorre porque o diâmetro da fibra é um pouco maior que o comprimento de onda do sinal.
Possuem dimensões menores e capacidade de transmissão bastante superior às multimodo.
Para que a luz se propague em linha reta ao longo do cabo, a diferença entre os índices de refração do núcleo e da casca é bem pequena. 
Portanto, as características da Fibra Monomodo, são:
Dimensões menores.
Maior capacidade de transmissão.
Um único modo de propagação.
Transmite apenas o raio axial. 
Dimensão do núcleo: 8 a 9 μm (esta ultima é a mais utilizada). 
Dimensão da casca: 125 μm.
Alcance limitado a 3 km para cabeamento estruturado.
Geralmente utiliza laser como transmissor.
Utiliza comprimentos de onda de 1.310 ou 1.550 nm.
Características da Fibra Multimodo:
Propagação baseada na reflexão interna da luz nas paredes da casca cujo índice de refração é menor que o do núcleo.
A luz é conduzida por meio de vários modos de propagação.
Em outras palavras: a luz percorre diversos caminhos no interior da fibra óptica.
Tipo mais comum em cabeamentos primários inter e intraedifícios.
De acordo com a variação dos índices de refração da casca em relação ao núcleo, classificam-se em: 
Índice degrau (ID):
Índice gradual (IG) (desempenho superior). 
Multimodo índice degrau.
Primeiras a ser utilizadas de forma mais difundida.
Facilidade de fabricação, mas capacidade de transmissão limitada.
A luz no interior da fibra se propaga por meio de reflexões nas paredes da fronteira entre o núcleo e a casca, em um caminho de zig-zag.
Como o diâmetro do núcleo é relativamente grande em relação ao λ da luz, milhares de modos se propagam pela fibra, ampliando a dispersão e diminuindo a largura de banda.
Capta energia luminosa com facilidade porque possui grande abertura numérica.
Em geral, utiliza LED (Light Emmiting Diode), uma fonte luminosa simples e barata, como transmissor.
Multimodo índice gradual.
Complexidade média de fabricação.
Conectividade relativamente simples.
Alta capacidade de transmissão.
São as mais empregadas em redes locais de comunicação de dados e sistemas de comunicação que exigem grandes larguras de faixa e operam em alta velocidade.
São aplicações em que utilizam distâncias relativamente curtas (alguns km).
Tipos de fibras ópticas:
Os cabos de fibra óptica podem conter fibras dos seguintes tipos:
 
Fibras OM1 (multimodo): 62,5 µm 
Fibras OM2 (multimodo): 50 µm 
Fibras OM3 (multimodo): 50 µm 
Fibras OS1 (monomodo): 9 µm
Designações OM e OS estão contempladas em normas internacionais, nomeadamente na EN 50173. 
Essas mesmas fibras apresentam outras designações, na ITU-T.
G.650, G.652x, G.653, G.655, G.657, etc.
Características de Transmissão:
Basicamente, três características são relevantes para transportar a informação na fibra, influenciando na distância máxima a ser alcançada:
Largura de Banda.
Dispersão, ou Distorção.
Atenuação.
Largura de Banda.
A capacidade de transmissão, expressa em termos de banda passante, depende fundamentalmente:
Da geometria;
Do perfil de índices da fibra óptica.
 Do seu comprimento.
Dispersão:
Efeito temporal geralmente indesejável.
Ocorre quando um pulso luminoso, ao se propagar ao longo de uma fibra óptica, se alarga em função do comprimento da fibra percorrida.
Expansão ou espalhamento dos modos em um pulso de luz, à medida que ele progride ao longo da fibra.
A largura de faixa da fibra óptica depende do alargamento do pulso, e, consequentemente, afeta a capacidade de transmissão da fibra óptica.
Se o alargamento for excessivo, o sinal recebido poderá não ser mais distinguido no receptor.
A dispersão está relacionada com a dependência do índice de refração em relação à frequência.
Por causa da dispersão, quanto mais modos de propagação na fibra óptica, menor a largura de banda.
Causas do alargamento do pulso nas fibras ópticas:
Dispersão modal.
Dispersão material.
Dispersão do guia de onda (em geral, considerado apenas nas fibras monomodo).
As dispersões material e de guia de onda, em geral, são consideradas como uma única dispersão: a dispersão cromática.
Dispersão modal.
Dispersão modal em fibras multimodo: resultado de diferentes comprimentos de caminhos de luz tomados pelos vários modos (multimodo), durante o tráfego ao longo da fibra, a partir da fonte até o receptor.
Principal contribuição para a dispersão, na fibra multimodo: diferentes velocidades de propagação dos diversos modos presentes.
O resultado é o alargamento dos pulsos e a limitação de sua capacidade de transmissão.
Processo é denominado de DispersãoIntermodal.
Dispersão Material.
A composição do vidro por onda se propaga a luz é um dos parâmetros que alarga o impulso luminoso.
Razão para esse fato: 
Índice de refração do vidro varia com o comprimento de onda.
Com isso, os diversos componentes do espectro da fonte de luz se propagam com velocidades diferentes.
Apenas na janela de 1310 nm em fibras de sílica isso não ocorre, o que torna esse espaço espectral interessante para a operação de sistemas ópticos.
Dispersão de Guia de Onda
Relevante apenas em fibras monomodo. 
Constante de propagação do modo varia com o comprimento de onda.
É função do perfil de índice da fibra e pode ser modificada variando-se o último.
Principais causas de atenuação em fibras ópticas.
Perdas por Absorção: moléculas de OH-.
Espalhamento.
Deformações Mecânicas (microcurvaturas ou macrocurvaturas).
Projeto do Guia de Onda.
Perdas por Absorção.
Absorção Intrínseca:
É originada pela composição material que compõe a fibra (impurezas no material).
Ocorre absorção de potência por impurezas dentro do próprio vidro.
Melhores técnicas de fabricação levam este tipo de absorção a níveis aceitáveis.
Nas janelas de transmissão atuais, a sílica apresenta baixos níveis de absorção sendo as mais empregadas.
Para fibras de sílica fundido a faixa de menor absorção vai de 0,7 a 1,6 μm.
Absorção Extrínseca:
Resulta da contaminação por impurezas no material da fibra durante seu processo de fabricação. 
Controle do processo de fabricação deve ser altamente controlado.
Causada principalmente pela presença do íon de OH-.
Essas impurezas apresentam comportamentos atômicos que provocam absorção de uma parcela da intensidade luminosa da fibra.
Evolução tecnológica dos processos de fabricação reduziram as concentrações a valores inferiores a uma parte por bilhão, ou menores.
Espalhamento 
Desvio de parte da luz em várias direções.
Causa: Imperfeições da estrutura da fibra. Não homogeneidade da fibra.
􀂾 	Flutuações Térmicas.
􀂾 	Variação de Pressão.
􀂾 	Pequenas Bolhas.
􀂾 	Variação no perfil de Índice de Refração.
Perdas na Fibra por Microcurvaturas
Curvaturas devido aos defeitos de fabricação. 
Pequena deformação na fronteira entre o núcleo e a casca.
Provocado por qualquer força aplicada transversalmente na superfície da fibra.
Resultado: perda de parte da energia dos modos de alta ordem que não são mais guiados.
Perdas na Fibra por Macrocurvaturas
São curvaturas que ocorrem devido ao percurso da fibra.
Ocorrem quando os modos próximos ao ângulo crítico (alta ordem) ultrapassam esse valor, em função da curvatura, e deixam de ser refletidos internamente, passando a ser refratados.
Depende do comprimento de onda.
Não Linearidade Óptica da Fibra - FWM
Interação de multifótons devido a não linearidade do índice de refração causa a combinação de duas ou mais portadoras.
Produção de novas raias laterais. 
Resultado: interferência nos canais vizinhos em sistemas WDM, e degradação da potência óptica. 
Limitação no número de frequências que podem ser usadas pelo sistema.
Atenuações mais frequentes em uma fibra
Perda por Acoplamento
Perda por Absorção
Define o limite superior para o espectro útil causando uma atenuação crescente acima de 1700 nm.
É causada por defeitos atômicos no material, principalmente as ligações SiO, entre outras impurezas, que diminuem a potência do sinal luminoso ao absorverem parte de sua energia.
Reflexão de Fresnel
Obtém a fração de luz incidente em uma faceta que é refletida ao invés de absorvida
Espalhamento de Rayleigh
Surge na fabricação e é causado por pequenas variações na densidade do vidro enquanto o mesmo encontra-se em processo de esfriamento. 
Essas variações são como obstáculos que causam o espalhamento, desviando a luz. 
Macro Curvaturas
Micro Curvaturas
Perda por Conexão
Janelas de transmissão
Há regiões espectrais onde a atenuação é mínima.
Essas regiões são denominadas de janelas de transmissão e são as faixas do espectro de frequências onde a atenuação é mínima.
A atenuação em fibras ópticas varia com o comprimento de onda da luz.
 
Características das Janelas de Transmissão:
Primeira Janela de Transmissão:
850 nanometros (880 a 900 nm); 
Atenuação de 2,5 dB/km;
 Os primeiros sistemas de comunicação óptica utilizavam esta janela de transmissão;
Usada em baixas taxas e pequenas distâncias.
Simplicidade.
Baixo custo de tecnologia.
Segunda Janela de Transmissão:
1300 nanometros (1220 a 1340 nm).
Atenuação de 0,3 a 0,5 dB/Km;
Usada em Médias e Longas Distâncias.
Terceira Janela de Transmissão:
1550 nanometros (1540 a 1610 nm);
Atenuação de 0,2 a 0,25 dB/km.
Região de atenuação espectral mínima das fibras de sílica.
Usada em Médias e Longas Distâncias.
Extraído de Redes&Cia – Soluções em Engenharia e Telecomunicações
Tipos de Cabos
Diferença do índice de refração do núcleo em relação à casca é representada pelo perfil de índices da fibra óptica. 
Essa diferença pode ser conseguida a partir do uso de materiais dielétricos distintos: 
Exemplos: 
Sílica-plástico;
Diferentes plásticos;
Dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo, GeO, P O , B O , F etc.) na sílica (SiO). 
A variação de índices de refração pode ser feita de modo gradual ou descontínuo, originando diferentes formatos de perfil de índices. 
As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de índices de refração implicam a existência de diferentes tipos de fibras ópticas com características de transmissão e, portanto, aplicações distintas. 
O tipo de material utilizado, por exemplo, é determinante para a definição da frequência a ser utilizada e na definição dos níveis de atenuação correspondente.