A4_Foton_Fibras_Opticas_I

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FOTÔNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fibras Ópticas I. 
 REFLEXÃO TOTAL DA LUZ 
Condição:   nn e Ângulo de incidência   Ângulo crítico   nnC arcsin 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
c  
  
 
 
c  
n 
n 
P )arcsin(  nnc 
 GUIA DE ONDA (Waveguide) 
 Componente óptico usualmente feito de um material dielétrico (ex. vidro) 
envolvido por outro material dielétrico de menor índice de refração. 
 A luz é guiada através do meio de maior índice via reflexão interna total. 
GEOMETRIAS: 
 
 
 
 
 
 
 
 GUIA DE ONDA PLANAR TIPO FITA FIBRA 
 (Geometria cilíndrica) 
 FIBRAS ÓPTICAS 
 As fibras ópticas mais utilizadas atualmente são guias de onda cilíndricos 
feitas de sílica fundida (SiO2). 
 
 
 
 
 
 
o Núcleo (SiO2 + GeO2): índice de refração n ; diâmetro 2a 
o Casca (SiO2): índice de refração n 
 Para que a luz possa ser guiada via reflexão interna total:   nn 
 
 Principal área de aplicação: Comunicações (longas, médias e curtas 
distâncias) 
ESTRUTURA TÍPICA 
 
 
o Estrutura básica = Núcleo + Casca 
 Frágil; pode ser quebrada com 
relativa facilidade. 
o Estrutura de reforço mecânico 
 Composta de camadas de 
silicone e diferentes resinas 
plásticas. 
o Camada externa de poliuretano. 
 
 
 
 
 PERFIS DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO MAIS COMUNS 
o FIBRA COM PERFIL DE ÍNDICE TIPO DEGRAU 
 
 
 
 
 
 
o FIBRA COM PERFIL DE ÍNDICE TIPO GRADUAL 
 
 
 
 
 
 
 FIBRAS ÓPTICAS COM PERFIL DE ÍNDICE TIPO DEGRAU 
 Injeção de luz dentro de uma fibra 
 O diâmetro típico do núcleo de uma fibra óptica pode variar de alguns m a  200 m 
 
 
 
 
 
 No interior da fibra, apenas os raios de luz que incidem com ângulo maior (ou igual) ao 
ângulo crítico ( C ) sofrem reflexão interna total e podem ser guiados pela fibra. 
 Raios cujos ângulos de incidência são menores que C serão perdidos na casca 
 
 
 
 
 
 
n1 
n2 
n0 = 1 (ar) 
 ABERTURA NUMÉRICA: 22
2
10 sinNA nnn a   
2110 )sin(:)2(Eq.);90sin(sin :Eq.(1) nnnn CCa   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NA)arcsin(a , (NA 1 ) 
n1 
n2 
n0 = 1 (ar) 
 VALORES TÍPICOS DOS ÍNDICES DE REFRAÇÃO n1 e n2 
 As fibras usadas em comunicação óptica são feitas de vidros de sílica 
fundida de altíssima pureza 
 Pequenas mudanças no índice de refração são feitas através da adição 
de dopantes, como germânio ou titânio, por exemplo. 
 As diferenças de índice (   nn ) são usualmente pequenas 
o Por ex. n = 1.46 e n 1.45 
 Nesse caso: 



  nnNA = 0.17 e a = 9.8 graus 
 
 
 
 
 
 Modos de propagação: Distribuição de intensidade transversal 
 (   nnn ) Os modos de propagação na fibra são rotulados como LPl,m 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
l = metade do no de máximos que ocorrem para 0 <  < 2 
m = no de máximos na linha radial entre 0 e  
 ANALOGIA: MODOS DE 
VIBRAÇÃO DE UMA CORDA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
L 
Modo fundamental ou 
1º harmônico: L = /2 
2º harmônico: L =  
3º harmônico: L = 3/2 
4º harmônico: L = 2 
 
 
 
 
 
 
VIDEO (Université de Limoges – Fr) 
ILUSTRA ALGUNS MODOS DE PROPAGAÇÃO EM UMA FIBRA 
 
http://www.youtube.com/watch?v=XBOiHvP5Ric 
 
 
 
 
 
 
http://www.youtube.com/watch?v=XBOiHvP5Ric
 MODOS DE PROPAGAÇÃO: SOLUÇÃO ANALÍTICA 
 Determinação dos campos E e H no interior de uma fibra 
 As ondas guiadas satisfazem as equações de Maxwell e as condições de contorno 
o As soluções devem ser finitas e oscilatórias no núcleo e anularem-se no infinito 
o As componentes zE e zH devem ser contínuas na interface núcleo-casca 
 ar  : Soluções do tipo )(xJ l / Funções de Bessel do 1º tipo e ordem l 
 ar  : Soluções do tipo )(xK l / Funções modificadas de Bessel de 2º tipo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Modos de propagação: Distribuição de intensidade transversal 
 (   nnn ) Os modos de propagação na fibra são rotulados como LPl,m 
 Os modos mantêm a mesma distribuição transversa de iluminação e polarização ao 
longo da fibra. Abaixo, distribuição de intensidade luminosa de diversos modos LP 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 FIBRAS MULTIMODO E MONOMODO 
o (a) Fibra MULTIMODO com perfil de índice tipo degrau 
 
 
(a) 
 
 
VANTAGEM = MAIOR FACILIDADE DE INSTALAÇÃO (MENOR CUSTO) 
DESVANTAGEM = DISPERSÃO INTERMODAL (LIMITADA TAXA DE BITS/S) 
UTILIZADAS USUALMENTE EM SISTEMAS DE CURTA DISTÂNCIA 
o (b) Fibra MONOMODO com perfil de índice tipo degrau 
 
 
 
(b) 
 
 
 
UTILIZADAS EM SISTEMAS DE LONGA DISTÂNCIA 
Dimensões típicas 
Dimensões típicas 
 PROPRIEDADES DE TRANSMISSÃO DE DADOS 
 BIT RATE (B) = Parâmetro que fornece o número de bits 
transmitidos por unidade de tempo; por ex. B = 500 Mbits/s. 
 A taxa máxima de transmissão de dados (Bit Rate) é limitada 
essencialmente por dois fatores: 
1) DISPERSÃO 
Alargamento temporal do pulso à 
medida que a luz se propaga na fibra 
2) ATENUAÇÃO 
Perda da potência óptica do pulso à 
medida que a luz se propaga na fibra. 
 
 
 ATENUAÇÃO 
o Atenuação: A potência óptica do pulso diminui à medida que se propaga na 
fibra como resultado de absorção e espalhamento da luz 
 
 
 
 
 
 
o Limita a distância que um pulso pode se propagar para ser detectado (sem 
necessidade de amplificação do sinal) 
ATTENUATION REDUCES POWER 
THRESHOLD 
 ATENUAÇÃO (dB) 
 A atenuação A em dB é definida como: 
OUT
IN
P
P
A 10log10 
 com PIN a potência óptica na entrada da fibra e POUT a potência na saída 



A
INOUT PP 
 Transmitância 
 
 Uma atenuação de 3 dB, por exemplo, corresponde a T = 0.5, enquanto 10 dB 
é equivalente à T = 0.1 e 20 dB corresponde à T = 0.01. 
 
IN
OUT
P
P
T 
 Relação entre a atenuação (A) e a transmitância (T) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1/4 
6 A 
(dB) 
T = POUT/PIN 
 COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO 
 A atenuação em uma fibra é usualmente dada pelo coeficiente de atenuação  
o Usualmente expresso em dB por unidade de comprimento, por ex., dB/km 
 É chamado [dB] = dB/km . OBS.: Muitas vezes se omite o subscrito, 
escrevendo-se apenas  (a unidade é suficiente para identificação) 
 O produto LA dB define a atenuação em dB (= dBkm
1  km) 
o As vezes  é expresso em 1/unidade de comprimento, por ex., km1 
 É chamado  linear 
INP : Potência na entrada da fibra, OUTP : Potência na saída e L: Comprimento da fibra, 
OUT
IN
dB
P
P
L


 log
 ; 



L
INOUT
dB
PP

 
OUT
IN
P
P
L
ln


 ; )exp( LPP INOUT    .dB 
 COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO  EM FIBRAS DE SÍLICA 
 TRÊS JANELAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dependência do coeficiente de atenuação  em função de 0. Dois mínimos locais em 0 
= 0.85 m e 0 = 1.3 m e um mínimo absoluto em 0 = 1.55 m (  0.16 dB/km). 
 CONEXÕES E EMENDAS 
 Em um link óptico, muitas vezes fibras são emendadas ou conectadas 
 Cada emenda ou conexão leva a perdas de potência óptica, que podem 
decorrer de vários fatores: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A atenuação em dB é dada por :  OUTIN PPA  log ou 


A
INOUT PP 
 CONECTORES 
 Permite rápido acoplamento entre os núcleos de duas fibras. 
o Existe grande variedade de conectores. As principais diferenças entre eles são 
suas dimensões e métodos de acoplamento mecânico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quando as fibras são conectadas, seus núcleos são 
pressionados um contra o outro, minimizando as 
perdas de acoplamento. 
CONECTOR FC ST SC 
 “MECHANICAL SPLICE” / = JUNÇÃO (EMENDA) 
 Junção de duas (ou mais) fibras que são precisamente alinhadas e 
mantidas unidas em um suporte mecânico apropriado de modo a acoplar a 
luz entre as fibras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
User
Typewriter
https://www.youtube.com/watch?v=V6NfMyjzz-0
 
 OBS.: 20 dB = 102= 1%