Introdução. Vantagens da comunicação com fibras ópticas Enorme largura de banda vários GHz em 100 kms (sem repetidores) cabo coaxial (500 MHz, 2-3.

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1 Introdução

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4 Vantagens da comunicação com fibras ópticas Enorme largura de banda vários GHz em 100 kms (sem repetidores) cabo coaxial (500 MHz, 2-3 km); sistemas com ondas mm (700 MHz) muito maior LB transmitindo vários sinais ópticos em paralelo (multiplexagem) Tamanho e peso pequenos evita congestionamento nos tubos em cidades importante transmissão aviões, satélites,”ships” Isolamento eléctrico não apresentam problemas de Terra ou de interfaces não criam arcos ou curto circuitos

5 Vantagens da comunicação com fibras ópticas Imune a interferências e crosstalk Segurança do sinal Baixas perdas 0.2 dB km -1 Compactas e muito flexíveis Baixo custo (sílica – areia)

6 Confinamento de luz na Fibra

7 Confinamento de luz na fibra θiθi bainha n 2 θtθt núcleo n 1 ktkt Ө i = Ө c Ө t = 90º Reflexão interna parcial Reflexão no ângulo limite ӨiӨi ӨiӨi Reflexão interna total Ө i > Ө c bainha n 2 núcleo n 1

8 Excitação da fibra ӨtӨt ӨiӨi ØtØt ØiØi n2n2 n1n1 z ar n0n0 No limite

9 Cone de aceitação Abertura numérica NA A abertura numérica traduz a capacidade de captação da luz na fibra óptica. Se NA for elevado podem-se propagar modos com v g muito diferentes o que aumenta a dispersão. Ø i∟ n2n2 n1n1

10 Parâmetros normalizados

11 Frequência normalizada Constante de Propagação Normalizada Contraste (abertura numérica)

12 Distribuição de potência na Fibra

13 Distribuição de potência na fibra óptica A potência transportada pela está distribuida no núcleo e na baínha Factor de confinamento de potência 

14 Dependência de aguns parâmetros modais com a frequência (normalizada)

15 (a) (b) (a) U 2 /V 2 = 0.1 ou b = 0.9 (b) U 2 /V 2 = 0.9 ou b = 0.1

16 Capacidade de transmitir informação

17 Capacidade  taxa máxima de transmissão fiável C = B log 2 (1 + S/N) [Lei de Shannon] B – largura de banda do canal B T - ritmo de transmissão máximo B T ~ 2 B Para transmitir ao ritmo B T ~ é necessário um canal com uma largura de banda B = B T /2 (código NRZ) ou B = B T (código RZ).

18 Transmissão do sinal na Fibra Óptica Atenuação Dispersão

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20 Distorsão do sinal - aumenta com B e L B – ritmo de transmissão L – espaçamento entre repetidores Capacidade de um sistema de comunicação Mede-se produto BL 1970 – 100 Mb/s – km 2000- > 10 12 Mb/s – km

21 a)Raio axial b) Raio meridional extremo Regime multimodal (descrição da óptica geométrica) Dispersão intermodal ӨiӨi ØtØt ØiØi n1n1 ∟'∟' n2n2 ∟ Raios meridionais a)Velocidade máxima: modo cujos raios são praticamente axiais. b)Velocidade mínima: modo cujos raios incidem na interface núcleo/baínha segundo

22 Ritmo de transmissão A dispersão intermodal conduz ao espraiamento dos impulsos transmitidos o que se traduz na diminuição do ritmo de transmissão Impulso de duração 2 Δt c → Ritmo de transmissão máximo: Soluções para reduzir/eliminar dispersão intermodal: a) Fibras de núcleo não homogéneo b) Fibras monomodo

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24 Fibra monomodal Tempo de transmissão do sinal: Para reduzir/eliminar a dispersão intermodal: - utilizam-se fibras ópticas unimodais - utilizam-se fibras ópticas multimodais com índice de refracção variável n 1 (ρ). A velocidade de propagação aumenta com ρ porque n 1 diminue com ρ, o que compensa os percursos maiores a percorrer pelos raios associados aos modos de ordem superior. Fibra multimodal Perfil gradual ρ n (ρ) Perfil parabólico

25 Mecanismos de dispersão da fibra óptica O PCM (Pulse Code Modulation) é um dos métodos usados em sistemas de comunicação com fibras ópticas para modular a luz portadora. A diferença (dispersão) dos tempos de grupo das várias componentes espectrais contidas no impulso, dá origem à sua distorção. a)Dispersão intermodal Ocorre em fibras a operar em regime multimodal. Os modos apresentam vg diferentes (excepto quando são degenerados). b) Dispersão material O índice de refracção da fibra, n 1, varia com ω. c)Dispersão estrutural Dispersão do guia de ondas (estrutura dieléctrica que guia as ondas). As dispersões b) e c) estão presentes quer em fibras em regime unimodal quer em regime multimodal e são ambas proporcionais à largura de banda do impulso transmitido.

26 Alargamento do impulso Dispersão traduzida na eq. característica: D (ω, k z ) = 0 Atraso de grupo por unidade de comprimento: Indice de grupo λ Δ λ << λ 0 λ0λ0

27 Dispersão material Largura espectral Coeficiente de dispersão Alargamento do impulso O coeficiente de dispersão M caracteriza o alargamento do impulso devido às variações do índice de refração do núcleo (sílica) com o comprimento de onda (ω).

28 Dispersão estrutural É intrínseca a todos os sistemas de propagação guiada. Traduz a dependência de λ das constantes de propagação no núcleo e na baínha. A dispersão estrutural só é relevante em fibras monomodo para regiões de λ em que o coeficiente de dispersão material se aproxima de zero (ex: λ ═ 1300 nm)

29 Dependência de aguns parâmetros modais com a frequência (normalizada)

30 Atenuação 1ª geração ~0.8  m 2ª geração ~ 1.3  m 3ª geração ~ 1.55  m 4ª geração aumento B multiplexagem; amplificação óptica 1500 km 2Gb/s 5ª geração propagação de solitões 12 000 km 2.4 Gb/s (experimental)

31 Espaçamento L entre repetidores a)Influência da atenuação Atenuação ═> Amplificação b)Distorção dispersiva ═> Regeneração (da forma do sinal) a)Atenuação P rec = F s n h f BT n – nº de fotões que o receptor precisa para detectar 1 bit hf – energia de um fotão (h-cte Planck, 6.626 ×10 -34 Js) B t – ritmo de transmissão F s – factor de segurança (Fs > 1) B 0 – ritmo de transmissão de referência (bits/s) L P in

32 L 0 – espaçamento associado ao ritmo de referência B 0. L L 0 BTBT B0B0 Variação lenta

33 Espaçamento entre repetidores: atenuação e distorção A conjugação dos efeitos devidos à atenuação e á distorção conduz aos seguintes resultados: - a atenuação é o factor limitativo para os ritmos de transmissão baixos. - a distorção é o factor limitativo para os ritmos de transmissão altos. L (log) B (log) atenuação distorção

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