Comunic opticas aplicadas_2

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COMUNICAÇÃO ÓPTICA 
APLICADA 
 
2014 – 2° SEMESTRE 
Prof. Thomás A. M. Castro 
Ementa 
18/9/2014 Comunicações Ópticas 
2 
1. Histórico da evolução dos sistemas ópticos 
2. Tipos de fibras ópticas: Parâmetros físicos e de projeto 
 Descrição física 
 Tipos de materiais utilizados 
 Reflexão de Fresnel 
 Abertura numérica 
 Número de Corte 
 Modos de propagação 
 Transmissão dos modos 
 Desvio de fase e onda evanescente 
3. Tipos de fibras ópticas 
 Fibras ópticas multimodo degrau e gradual 
 Fibras ópticas monomodo 
 Fibras especiais 
 Fibras com dispersão deslocada e dispersão zero 
Ementa 
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4. Atenuação 
 Absorção 
 Efeitos não lineares 
5. Técnicas de fabricação 
 Parâmetros de fabricação e projeto 
 Fabricação de pré-formas 
 Puxamento e revestimento 
 Tipos de casamento óptico 
6. Componentes optoeletrônicos 
 Semicondutores 
 Junção P-N 
 LED 
 Lasers 
 Fotodetetores 
 Amplificadores 
 
Bibliografia 
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 Amazonas, J. R. A., Projeto de sistemas de comunicações ópticas 
 Agrawall, G. P., Fiber-optic Communication Systems 
 Giozza, W. F. et al, Fibras ópticas: tecnologia e projeto de sistemas 
Perspectiva Histórica 
Componentes de um sistema óptico 
Características dos sistemas ópticos 
 
Introdução 
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Perspectiva Histórica 
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1950 Inicia-se experimentos em busca de um guia de luz; 
1960 
O físico Theodore Maiman criou o primeiro Laser, no Hughes 
Research Laboratory; 
1966 
Charles Kao e Charles Hockham, na Inglaterra: utilização de fibra de 
vidro (fibras ópticas) para transmissão de luz do laser, (atenuação 
da ordem de 200 dB/Km); 
1972 Fibra ópticas com atenuação de 4dB/Km já eram obtidas; 
1975 
As fibras deixam os laboratórios e entram em fase de produção 
industrial; 
Perspectiva Histórica 
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 Era Elétrica  Era óptica 
• Telegrafo; 1836 • Fibras ópticas; 1978 
• Telefone; 1876 • Amp. ópticos; 1990 
• Cabos coaxiais; 1840 • Tecnologia WDM; 1996 
• Micro-ondas; 1948 • Múltiplas Faixas; 2002 
 
• Micro-ondas e cabos coaxiais limitados a Bw ~100 Mb/s. 
• Sistemas ópticos podem operar em taxas >10 Tb/s. 
• Melhoramentos na capacidade do sistema está relacionada a alta 
frequência dos comprimentos de onda (200 THz @1.5 μm). 
Perspectiva Histórica 
Gerações 
• 0.8-μm systems (1980); Fibras de índice gradual 
• 1.3-μm systems (1985); Fibras Mono-modo 
• 1.55-μm systems (1990); Lasers Mono-modo 
• WDM systems (1996); Amplificadores ópticos 
• L and S bands (2002); Amplificadores Raman 
Século 21 
• OTN – Optical Transport Network Redes Meshed 
• Canais 100 Gbps Modulação Coerente 
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Componentes de um Sist. Óptico 
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 Transmissor óptico: 
 Converte o sinal elétrico em um fluxo óptico de bits agrupados para 
transmissão; 
 Canal de comunicação: 
 Fibras ópticas são utilizadas para transmissão óptica nas redes 
terrestres; 
 Receptores ópticos: 
 Convertem o fluxo óptico de bits na forma elétrica original; 
Transmissor 
óptico 
Canal de comunicação 
Receptor 
óptico 
Sinal elétrico de entrada Sinal elétrico de saída 
Características dos Sist. Ópticos 
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Vantagens 
 Comunicações ponto a ponto em: redes de pequeno porte, redes LAN e 
públicas , de longa e curta distância; 
 Velocidade (taxas de transmissão) elevada de alguns Tbps; 
 Segurança e rigidez elétrica e mecânica pela característica da fibra, imune a 
descargas atmosféricas; 
 Imunidade a interferências (ruídos): indicada para ambientes industriais; 
 Baixa atenuação, inferior a 0,3 dB/Km, quando comparada com os acessos 
metálicos; 
 Capacidade de atendimento intercontinental; 
Características dos Sist. Ópticos 
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Desvantagens 
 Custo mais elevado e tempo maior de implantação; 
 Dificuldade de permissões de uso do solo, de posteação, torres e outras 
estruturas de suporte; 
 Dificuldade de alimentação até o assinante, no caso de voz, requerendo 
soluções alternativas adicionais de no-breaks e baterias, que encarecem a 
instalação e a manutenção interna. 
Propagação 
Estrutura 
Janelas de transmissão 
Vantagens 
Tipos de fibras 
 
 
Fibras ópticas 
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Definição 
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 São estruturas totalmente dielétricas com geometria cilíndrica, na qual 
energia luminosa propaga-se ao longo do cilindro central denominado 
núcleo (core). 
 As fibras ópticas atuam como condutores de radiação infravermelha. 
 Uma ou mais fibras são revestidas individualmente em plásticos, 
agrupadas e recobertas por uma capa, formando um cabo. 
Estrutura básica da fibra 
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Estrutura básica da fibra 
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Estrutura básica da fibra 
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Seção transversal e perfil do índice de refração em fibras de degrau e gradual 
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 A função do núcleo é transportar a informação em forma de luz; 
 A casca tem como função 
 reduzir a dispersão, 
 melhorar a força (resistência) mecânica, 
 impedir o núcleo de absorver contaminadores que poderiam entrar em contacto com o 
núcleo 
Fibras ópticas 
Exemplos de composições de fibras: 
1. Núcleo de GeO2-SiO2; casca de SiO2 
2. Núcleo de P2O5-SiO2; casca de SiO2 
3. Núcleo de SiO2; casca de B2O3-SiO2 
4. Núcleo de SiO2; casca de F-SiO2 
Tipos de fibras ópticas 
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Estrutura básica da fibra 
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 A propagação é feita no interior do núcleo; 
 Através de múltiplas reflexões na fronteira de separação entre o núcleo e a casca; 
 O percurso que os raios vão percorrer, dependem da incidência inicial; 
 Existem dois tipos de raios: 
 Os raios meridionais, que são os raios contidos no plano que contém o eixo da fibra; 
 Os raios torcidos, que são todos os outros 
 Os princípios de propagação são, numa perspectiva geométrica, os 
mecanismos descritos pela lei de Snell 
Propagação em F.O. 
Índice de refração 
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 O índice de refração (n) é definido como a relação entre a velocidade de 
propagação da luz no vácuo e a velocidade da luz no material. 
 
 
 
 
Onde: 
C = é a velocidade da luz no vácuo (300.000 km/s) 
C1 = é a velocidade da luz no meio (ou material) 
N = é o índice de refração 
 
 Se o índice de refração de um material é n=1,5 a velocidade da luz neste 
meio pode ser calculada como sendo: 
Lei de Snell 
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Lei de SNELL: Para cada meio e para o raio de incidência ou refratado, é 
constante o produto do seno do ângulo de incidência ou do ângulo de 
refração e o índice de refração do meio em que este raio se encontra, ou 
seja: 
Lei de Snell 
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Consideremos um raio de luz se propagando no vácuo fazendo um ângulo de 
incidência θi à superfície de uma substancia “A” e seja θr o ângulo de refração da 
substancia. 
A constante da lei de Snell é então chamada de índice de refração da substancia “A” e 
é designada por n. 
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Quando um feixe de luz monocromática(somente um comprimento de onda) 
passa por um meio com índice de 
refração n1 para outro meio com índice 
de refração n2, este muda de direção 
conforme o ângulo de incidência 
Lei de Snell 
Quanto maior o índice de refração, menor a velocidade de propagação da luz 
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 Consideremos um raio de luz num certo meio (vidro por exemplo), 
 A luz incide sobre uma superfície além da qual existe um meio com índice de 
refração n menor que o primeiro (ar). 
 A medida em que o ângulo de incidência aumenta, chega-se a uma situação em 
que o raio refratado sai tangente à superfície de refração igual a 90°. 
 Para ângulos maiores que este angulo critico “θ2” não existe raio refratado, 
ocorrendo o fenômeno chamado REFLEXAO INTERNA TOTAL 
Reflexão interna total 
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Quando a luz passa de um meio n1 para um meio n2 , formando entre o meio 
n e a normal um ângulo de 90º, este será chamado de 
ÂNGULO CRITICO ( αcrit.). 
 
O ângulo critico é um ângulo onde a luz refratada acompanha a superfície de 
separação dos dois meios 
Ângulo Crítico 
Ângulo Crítico 
Índice de refração da casca n2 = 1,475 
Índice de refração do núcleo n1 = 1,496 
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Ângulo crítico 
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Confinamento da luz através da reflexão total em fibras de índice degrau 
Aberuta Numérica 
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A abertura numérica é 
extremamente útil. 
Ela serve para quantificar a 
maior ou menor capacidade 
de captar e transmitir luz. 
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Modos de propagação 
Número de modos de propagação 
F.O. de índice Degrau F.O. de índice Gradual 
Onde α é denominado expoente de relação entre distância radial “r” e o raio do 
núcleo “a” 
V é a frequência normalizada ou diâmetro normalizado 
Para V < 2,405  Monomodo 
Para V > 2,405  Multimodo 
Fibra índice gradual 
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Trajetória dos raios em uma fibra de índice gradual 
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Cada modo de transmissão é um padrão de linhas do campo 
electromagnético que se repete ao longo da fibra em intervalos iguais ao 
comprimento de onda. 
Modos de transmissão 
Modos de transmissão 
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 Padrão do campo elétrico 
 vista perpendicular à secção da fibra ao longo do seu eixo; 
 modos de ordem baixa; 
 A ordem de um modo é igual ao número de zeros do campo ao longo da guia; 
 A ordem está relacionada com o ângulo que o raio correspondente a este modo 
faz com o plano da guia-de-onda; 
 O campo elétrico dos modos guiados não estão completamente restringidos à 
parte correspondente ao dielétrico central (o núcleo); 
 Quanto maior for a ordem dos modos, maior é a penetração do campo na casca; 
 Para ordens mais baixas há uma concentração dos raios na região em volta do eixo 
da fibra 
Modos de transmissão 
Revisão de dB 
Espectro de frequência 
Atenuação 
Distorção 
Atenuação e Distorção 
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Espectro óptico 
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 O espectro de transmissão óptico é referenciado em termos de comprimento de 
onda (λ) 
 Análogo à caracterização de um sinal de rádio pela sua freqüência 
 Expressa-se em micron (μ m) ou nanometro (nm) 
 O espectro da luz visível vai desde o ultra-violeta (UV) até o infra-vermelho (IV) 
 Sistemas de Comunicações ópticas operam em três zonas do IV: 
 ~ 850, ~ 1310, ~1550 nm 
 .. estas zonas define-se por janelas 
Espectro óptico 
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Espectro óptico 
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Espectro óptico 
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O espectro de transmissão óptico é referenciado em termos de comprimento 
de onda (λ) 
1º janela de transmissão 
(2,5 dB/Km a 850 nm) 
 
2º janela de transmissão 
(0,5a 0,3 dB/Km a 1310nm) 
 
3º janela de transmissão 
(0,25 a 0,20 dB/Km a 1550nm) 
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
Revisão de Decibel 
Limitadores de alcance/capacidade 
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Atenuação Dispersão Não lineares 
• Absorção • Modal • Raman 
• Espalhamento • Cromática • Brilouin 
• Deformações 
Mecânicas 
• Polarização • Four-Wave mixing 
• Projeto do Guia 
de Onda • Modulação Self Phase 
• Modulação Cross Phase 
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 A perda de transmissão de uma fibra óptica costuma ser definida em termos da 
relação de potencia luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potencia 
luminosa na sua saída 
Atenuação 
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As principais causas responsáveis pela atenuação nas fibras 
ópticas são: 
 Absorção 
 Espalhamento 
 Deformações Mecânicas (curvaturas) 
 Projeto do Guia de Onda 
 
A atenuação de sinais em fibras ópticas é principalmente 
afetada pela absorção e espalhamento (scattering) 
Atenuação 
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Perdas por absorção: 
 Parte da energia é dissipada em forma de calor na fibra óptica. 
 O vidro usado nas fibras não é totalmente puro e 
 Contém impurezas de IONS METÁLICOS com transições eletrônicas na região 
visível próximo ao infravermelho (0,5 a 1 nm), causando bandas de absorção. 
 Os principais íons metálicos são: Cromo, Cobre, Ferro e Manganês 
 
A absorção pode ser causada por 3 formas diferentes: 
 Absorção devido a defeitos na estrutura atômica 
 Absorção intrínseca 
 Absorção extrínseca 
 Em comparação com a absorção intrínseca ou a extrínseca a absorção por defeitos 
é desprezível 
Atenuação - Absorção 
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 São aquelas originadas pela composição material da fibra (impurezas 
existentes no material da fibra); 
 
 Resulta basicamente de metais de transição, ferro, cobalto, crómio, 
níquel, etc. 
 
 Para as fibras de sílica fundido a faixa de menor absorção vai de 
0,7 a 1,6 μm. 
 
 Melhores técnicas de fabricação levam este tipo de absorção a níveis 
aceitáveis. 
Absorção intrínseca 
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 Causada principalmente pela presença do íon de OH (água); 
 
 Concentrações de poucas partes por bilhão (109) do íon de OH são 
necessárias para obter valores de atenuação inferiores a 20 dB/Km. 
 
 Tais impurezas, apresentam comportamentos atômicos que provocam 
absorção de uma parcela da intensidade luminosa da fibra. 
 
 Com a evolução tecnológica das técnicas de fabricação hoje em dia, os 
níveis de OH- , foram reduzidos a concentrações inferiores a uma parte 
por bilhão e em alguns casos menores ainda. 
Absorção extrínseca 
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 O espalhamento exprime o desvio de parte da energia luminosa. É 
causado basicamente por imperfeições (de dimensões inferiores ao 
comprimento de onda) da estrutura da fibra e se caracteriza-se pelo 
desvio da luz em várias direções. 
 Os mecanismos de espalhamento que contribuem para as perdas de 
transmissão em fibras incluem os seguintes tipos: 
 
Perdas por espalhamento 
Espalhamento de Rayleigh 
Lineares 
Espalhamento de Mie 
Espalhamento de Brillouin estimulado 
Não Lineares 
Espalhamento de Raman estimulado 
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 Espalhamento é causado por: 
 Flutuações Térmicas 
 Variação de Pressão 
 Pequenas Bolhas 
 Variação no perfil de Índice de Refração 
Perdas por espalhamento 
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 É causado por variaçõesde natureza aleatória na densidade do material da fibra 
que ocorrem em distâncias muito pequenas quando comparadas com o 
comprimento de onda de luz transmitida; 
 Variações resultam de flutuações na composição do material de fibra; 
 A atenuação devido ao espalhamento de Rayleigh é inversamente proporcional à 
quarta potência do comprimento de onda (λ−4); 
 O coeficiente de perdas por espalhamento Rayleigh é dado por: 
 
Espalhamento Rayleigh 
Onde: 
λ é o comprimento de onda da luz transmitida, 
n é o índice de refração do meio, 
p é o coeficiente fotoelástico do meio, 
K é a constante de Boltzmann, 
βT é a compressibilidade isotérmica na temperatura 
fictive TF que, por sua vez, corresponde à temperatura 
em que o vidro entra em equilíbrio termodinâmico 
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 A atenuação devido o espalhamento Rayleigh em uma fibra de comprimento L 
(em quilômetros) é dado por: 
 
Espalhamento Rayleigh 
Onde no caso da sílica: 
TF = 1400º K, 
p = 0,286, 
n = 1,46, 
βT = 7x10-11m2N-1, 
KBoltzmann=1,300062x10
-23 J/K 
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 Perdas por Deformações Mecânicas -> curvaturas na Fibra 
 Perdas causadas por deformações mecânicas podem ser 
resultantes de dois tipos: 
 Microcurvaturas 
 Macrocurvaturas. 
Perdas por deformação 
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 É uma pequena deformação na fronteira entre o núcleo e a casca; 
 
 Pode ser provocado por qualquer força transversalmente aplicada na 
superfície da fibra; 
 
 Extraem parte da energia devidos aos modos de alta ordem tornam-se 
não guiados 
Perdas por microcurvaturas 
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 A ocorrência da perda é dada quando os 
modos próximos ao ângulo crítico (alta 
ordem) ultrapassam esse valor, em 
função da curvatura 
 Deixam de ser refletidos internamente, 
passando a ser refratados. 
Perdas por macro-curvaturas 
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 A ocorrência da perda é dada quando os modos próximos ao ângulo crítico 
(alta ordem) ultrapassam esse valor, em função da curvatura 
 Deixam de ser refletidos internamente, passando a ser refratados. 
Perdas por macro-curvaturas 
Onde: 
 C1 é uma constante de proporcionalidade 
que não depende do raio de curvatura 
R é o raio de curvatura 
Rc é o raio crítico 
Tipicamente, Rc ≈ 1mm para λo = 1,55µm. 
Se R > 10 Rc as perdas se tornam desprezíveis 
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 Características intrínsecas do guia de onda podem afetar as perdas; 
 Para um projeto de baixas perdas: 
 Garantir que a maior parte da potência luminosa seja confinada no núcleo da fibra 
óptica; 
 Utilizar uma casca com espessura adequada 
 Casca composta por materiais com perdas comparáveis às do material do núcleo 
 Técnicas: 
 Perfil de índices de refração do tipo W – Casca interna relativamente estreita com índice 
de refração menor que o da casca externa 
 Para fibras monomodo o rebaixamento da casca aumenta o confinamento da potência 
luminosa no núcleo 
 
Projeto de guia de ondas 
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 Alguns tipos de perfis de índice de refração usados em fibras ópticas monomodo 
Projeto de guias de ondas 
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 Sistema limitado pela distorção – Enlaces onde a potência é suficiente, mas a 
forma distorcida do sinal impede a reconstrução correta da mensagem 
 
 Três mecanismos básicos de distorção: 
 Distorção modal ou intermodal; 
 Dispersão material; 
 Dispersão do guia de guia de onda; 
Distorção 
Distorção 
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Efeito da dispersão modal nos tipos básicos de 
fibras ópticas: 
a) Multimodo índice degrau; 
b) multimodo índice gradual (parabólico); 
c) monomodo (índice degrau) 
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 A dispersão induz interferência inter-simbólica 
Dispersão 
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 Alargamento dos impulsos 
Dispersão 
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Dispersão modal: 
 A dispersão modal ou intermodal caracteriza-se por afetar a transmissão em fibras 
multimodo 
 Resultado de cada modo de propagação, para um mesmo comprimento de onda, 
ter uma diferente velocidade de propagação. 
 
Dispersão cromática: 
 Os outros dois tipos de dispersão (Dispersão Material + Dispersão do Guia de 
Onda) 
 Resultante da dependência da velocidade de propagação de um modo individual 
com relação ao comprimento de onda. 
 Efeitos: aumentam com a largura espectral da fonte luminosa 
Distorção Modal e Cromática 
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Resumindo: 
 
Existem os seguintes fatores que originam a dispersão em fibras ópticas: 
 diferença dos caminhos percorridos pelos diversos raios; 
 
 diferenças nos índices de refração em função do comprimento da onda; 
 
 dependência da propagação de modos em relação ao comprimento de onda da luz 
transmitida. 
Distorção Modal e Cromática 
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Distorção modal em Fibras ID 
Os sinais são distorcidos em fibras ID pelas: 
 dispersões de material e de guia de onda 
 Alargamento do pulso multimodo 
Distorção Modal 
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 Exemplo 5.5 
Determine o máximo alargamento de pulso por unidade de comprimento, devido à 
distorção modal, para uma fibra ID com n1 = 1,48 e n2 = 1,46. 
 
 Resposta: 67,6 ns/km 
 
 Comentários: 
 Valor obtido é muito elevado; 
 Fibras ID apresentam alargamento menores: de 10 a 50 ns/km 
 Fatores que justificam a discrepância: 
 Mistura de modos: troca de energia entre os modos 
 Atenuação preferencial: modos de ordem mais elevada sofrem maior atenuação 
Exemplo 
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
Alargamento de Pulso RMS 
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Determine o alargamento rms de pulso por unidade de comprimento, devido à 
distorção modal, para uma fibra ID com n1 = 1,48 e n2 = 1,46 
 
Solução 
 
Exemplo 2 
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 É o resultado da ação conjunta das dispersões material e de guia de onda 
 Dispersão material: alargamento decorrente da variação do índice de refração do 
material com o comprimento de onda; 
 Dispersão de guia: Alargamento decorrente da variação do índice de refração efetivo do 
guia de onda com o comprimento de onda; 
 Os dois fenômenos tem a mesma origem: O índice de refração e é dada por: 
 
 
Onde: 
M é o coeficiente de dispersão material 
M’ é o coeficiente de dispersão do guia de onda 
Δλ é a largura espectral da fonte de luz 
Dispersão cromática 
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 Os coeficientes de dispersão de guia de onda são obtidos através do gráfico 
abaixo: 
Dispersão cromática 
Dispersão material para sílica pura Valores típicos de coeficiente de 
dispersão de guia de ondas 
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Determine a dispersão cromática por unidade de comprimento, para uma fibra ID 
operando no comprimento de onda λo = 0,82μm. A fonte de luz é um LED cuja 
largura espectral é Δλ = 20nm 
Exemplo 
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Alargamento Total de pulso 
Coeficiente de dispersão cromática para alguns tipo 
de fibras monomodo 
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