Introdução

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

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)

Confinamento de luz na Fibra

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

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

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

Parâmetros normalizados

Frequência normalizada Constante de Propagação Normalizada Contraste (abertura numérica)

Distribuição de potência na Fibra

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

Dependência de aguns parâmetros modais com a frequência (normalizada)

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

Capacidade de transmitir informação

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).

Transmissão do sinal na Fibra Óptica Atenuação Dispersão

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 > Mb/s – km

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

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

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

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.

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

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).

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)

Dependência de aguns parâmetros modais com a frequência (normalizada)

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 km 2.4 Gb/s (experimental)

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, × 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

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

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