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PROPAGAO GUIADA FIBRAS PTICAS

Custdio Peixeiro

Outubro 2016

PROPAGAO E RADIAO

DE ONDAS ELECTROMAGNTICAS (PROE)

MEEC

Ano Lectivo 2016/2017 1 Semestre

Este documento foi

concebido para servir

de guia nas aulas

tericas e apenas como

tal dever ser utilizado

no estudo da matria.

Sumrio

Motivao (3)

Perspectiva Histrica do Desenvolvimento (3)

Introduo (8)

Parmetros Fundamentais (8)

Aproximao da ptica Geomtrica (1)

Anlise Modal (26)

Disperso (11)

Atenuao (5)

Fontes, Detectores e Outros Componentes (3)

Aplicaes (3)

2/74

Motivao (1)

As comunicaes pticas (visuais) existem h milhares de anos

3/74

Motivao (2)

(Metade do) Prmio Nobel da Fsica de 2009 foi atribudo a C. K. Kao for

groundbreaking achievements concerning the transmission of light in

fibers for optical communication

4/74

Se ligssemos todas as fibras pticas (em 2009) poderamos dar 25000

voltas Terra (cerca de 1000 milhes de km). Tem-se verificado desde

ento um crescimento de vrios milhares de km por hora.

Motivao (3)

Em 2011 a rede mundial de fibra ptica cresceu quase 200 milhes de km

(em mdia cerca de 6 km por segundo). O maior crescimento (cerca de

64%) deu-se na sia.

5/74

Perspectiva Histrica do Desenvolvimento (1) 6/74

O desenvolvimento da tecnologia da fibra ptica est intimamenteligado tecnologia de fabrico do vidro

Os Egpcios j fabricavam vidro 3000 AC (atenuao 107 dB.km-1)

No final do sculo XIII d-se a inveno do cristal em Veneza

(atenuao 105 dB.km-1)

No sculo XIV comeou a produo de culos

No incio do sculo XVII d-se a inveno do telescpio

As primeiras fibras pticas (1920) tinham uma atenuao de cerca de

103 dB.km-1

No houve grande evoluo at meados do sculo XX

Em 1970 a empresa Corning Glass (EUA) desenvolve um processo

de fabrico de fibras pticas que permitiu obter uma atenuao de

cerca de 17 dB.km-1

Ainda na dcada de 70 a atenuao chegou aos 0,2 dB.km-1

Perspectiva Histrica do Desenvolvimento (2) 7/74

Em 1958 o laser foi inventado por C. H. Townes (MIT, EUA) (prmioNobel da Fsica em 1964)

Em 1966 C. K. Kao (prmio Nobel de Fsica em 2009) e G. Hockhammostraram que a eliminao das impurezas da slica poderia

proporcionar nveis de atenuao compatveis com a utilizao das

fibras pticas monomodo em telecomunicaes a grandes distncias

(atenuao 20 dB.km-1)

1975 primeira rede local (no experimental) de fibra ptica (Dorset,GB)

1980 primeira rede nacional de fibra ptica (entre Washington, DC eCambridge, Massachusetts, EUA)

1983 introduo da fibra ptica na rede de telecomunicaes emPortugal

1987-1989 aparecimento dos amplificadores pticos

Perspectiva Histrica do Desenvolvimento (3) 8/74

1988 primeiro cabo submarino em fibra ptica (TAT-8 entre NewJersey, EUA e Inglaterra/Frana, com 40000 canais telefnicos, 280

Mbit.s-1, 10 vezes a capacidade do cabo coaxial que substituiu)

1991 uso de solites em comunicaes for fibra ptica (Bell Labs) agrandes distncias (2,5 Gbit.s-1 em 14000 km)

1996 introduo das tcnicas de multiplexagem por diviso nocomprimento de onda (WDM)

Desde 1980 a capacidade aumenta (em mdia) 100 vezes em cada 10anos

Introduo (1) 9/74

Vamos focar a nossa anlise nas propriedades do guia de ondas

(dielctrico) fibra ptica na perspectiva da sua utilizao (sobretudo) em

sistemas de telecomunicaes.

Introduo (2) 10/74

Microondas : 30 cm 3 mm f: 1 GHz 100 GHz

Ondas Milimtricas (EHF) : 10 mm 1 mm f: 30 GHz 300 GHz

Infravermelho : 1 mm 750 nm f: 300 GHz 400 THz

Visvel : 750 nm 400 nm f: 400 THz 750 THz

Introduo (3) 11/74

As fibras pticas tm (actualmente) atenuao muito pequena.

Banda Descrio

O original1260 a

1360 nm

E estendida1360 a

1460 nm

S curto1460 a

1530 nm

C

convencional

("janela

erbium")

1530 a

1565 nm

L longo1565 a

1625 nm

U ultra-longo1625 a

1735 nm

Introduo (4) 12/74

Frequncias (=1,55 m, f200 THz) muitas ordens de grandeza acima

das frequncias das radiocomunicaes (por exemplo SHF, f: 3-30 GHz).

Introduo (5)

Portadoras de frequncia muito elevada (centenas de THz, 4 ordens de

grandeza acima das Microondas) permitem larguras de banda (ritmos de

transmisso) muito elevadas.

13/74

BL [bit.s-1.km] uma figura de mrito de um sistema de telecomunicaes

que afere a sua capacidade de transmitir informao.

Introduo (6)

As tcnicas de multiplexagem por diviso no comprimento de onda

(frequncia) permitem grandes aumentos de capacidade.

14/74

Introduo (7)

Assistimos hoje a uma rapidssima expanso da rede de fibra ptica nos nas comunicaes a longas distncias como tambm no mercadoprofissional e domstico das comunicaes de banda larga. Actualmente(Maro 2014) quase todas as operadoras de telecomunicaes nacionaispublicitam servios de internet fixa com ritmos de transmisso at 400Mbit.s-1.

15/74

Em alguns pases os ritmos de

transmisso oferecidos ao pblico

em geral podem ser ainda mais

elevados.

Exemplo

Suia 1 Gbit.s-1

Introduo (8)

Principais Vantagens das Fibras pticas

Grande largura de banda (ritmos de transmisso muito elevados)

Baixa atenuao (pode atingir cerca de 0,2 dB.km-1)

Grande imunidade interferncia e ao rudo

Segurana da informao

Pequeno volume e peso

(Potencial) Baixo custo de fabrico (slica extrai-se da areia)

Principais Desvantagens das Fibras pticas

Fragilidade

Exige equipamento muito especializado (preciso nas ligaes)

Custos de instalao so ainda elevados

16/74

Parmetros Fundamentais (1)

Reflexo Total

Quando a incidncia se faz de um meio dielectricamente mais denso

(para outro menos denso) h um ngulo de incidncia (ngulo limite) a

partir do qual h reflexo total.

17/74

SnelldeLei3sennsenn t2i1

12ilim /nnsen

i22

21i221

2

1

i22

21i221

2

1

0i

0rTM

senncosn

senncosn

H

HR

i22

212

1i

i22

212

1i

0i

0rTE

senn

cos

senn

cos

E

ER

1RRnsen TMTE21i r1r1

r2r2

1

221

n

nn

Parmetros Fundamentais (2) 18/74

Exemplo

Meio 1: gua (n19) Meio 2: Ar (n2=1) ilimsin-1(1/9)6,4o

Parmetros Fundamentais (3) 19/74

/2 it t2i1

t1i

sennsenn

sennsen

t22

221i sennnsen

Reflexo Total (t=/2)

22

21Maxia nnsensenAN

A abertura numrica (AN) representa a

capacidade de captao de luz da fibra

Define-se contraste () da fibra

21

2

21

22

21

n2

AN

n2

nn

Na situao de pequeno contraste

n1> n21

n

nn

1

21

Parmetros Fundamentais (4) 20/74

Parmetros Fundamentais (5)

u constante de propagao radial no ncleo

w constante de atenuao radial na bainha

21/74

00

20

21

21

2z

2

c

kknkku

20

22

22

2z

2 knkkw- )nn(kwu 22

21

20

22

Definem-se parmetros normalizadosFrequncia normalizada (V)

Constante de propagao normalizada (b)

waWuaU

2knaANkannkawuaWUV 01022

210

2222

22

21

22

20z

2

2

2

2

nn

n)/k(k

V

U1

V

Wb

No corte (W=0, no h confinamento) U=V b=0 kz=k2

Longe do corte (W , confinamento total) W=V b=1 kz=k1

Parmetros Fundamentais (6)

(Como veremos mais frente) O modo fundamental da fibra ptica o

LP01 (HE11) que tem frequncia de corte nula e equao caracterstica

(para pequeno contraste 1)2

VM

2

Regime monomodal

para V < 2,405

1/44 )V(41

V)2(1U

22 0,996)V(1,1428VU

Parmetros Fundamentais (7)

Exemplo

(n1=1,45, n2=1,42, a=2 m)

23/74

= 2%,

Regime monomodal (v=2,405) at f=195,7 THz (=1,533 m)

Parmetros Fundamentais (8) 24/74

n2=1 (=26,2%)n2=1,3 (=9,8%)

Exemplo

(n1=1,45, a=2 m)

Aproximao da ptica Geomtrica (1)

Pode-se usar a aproximao da ptica geomtrica quando o comprimento

de onda muito menor do que as dimenses das estruturas. Nesse caso

a radiao representada por raios e podem-se usar as ferramentas da

ptica:

Propagao rectilnea em meios homogneos;

Reflexo e refraco (leis de Snell)

No caso das fibras monomodo o dimetro do ncleo no muito maior do

que o comprimento de onda e assim sendo o uso da aproximao da

ptica geomtrica apenas permite resultados de natureza qualitativa.

Nesse caso um estudo rigoroso exige a utilizao da teoria

electromagntica (anlise modal)

Um dimetro tpico do ncleo de uma fibra monomodo d1m=10 m. No

caso da f