Resumo aula anterior
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Resumo aula anterior. Conectores , acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos. 20110523. Tarefas?. Design and Simulation of Planar Electro-optic Switches in Ferroelectrics

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Presentation Transcript


Resumo aula anterior

Resumo aula anterior

Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qtotb para outros propósitos.

Interruptores ópticos

20110523


Tarefas

Tarefas?

  • Design and Simulation of Planar Electro-optic Switches in Ferroelectrics

  • M. Krishnamurthi, L. Tian and V. Gopalan, Appl. Phys. Lett., 93 052912 (2008).PDFouPDF2

Interruptor de 60ns: NanonaTM High Speed & Low Loss Optical Switch

Semiconductor optical switches reach the speed of light

April 29, 2011

Ctistis, G., Yuce, E., Hartsuiker, A., Claudon, J., Bazin, M., Gérard, J., & Vos, W. (2011). Ultimatefastopticalswitchingof a planar microcavity in thetelecomwavelength range AppliedPhysicsLetters, 98 (16) DOI: 10.1063/1.3580615

switch a light beam within a semiconductor device at speeds of 0.3 picosecond

2

Tarefa: como detectar?


Light cloak

Light Cloak

  • http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7553061.stm

    Page last updated at 00:53 GMT, Monday, 11 August 2008 01:53 UK

    Invisibility cloak 'step closer'

  • http://www.sciencedaily.com/releases/2008/08/080811092450.htm

    Invisibility Cloak One Step Closer: New Metamaterials Bend Light Backwards

  • http://www.newsguide.us/education/science/Invisibility-Cloak-for-Almost-Visible-Light/

    Invisibility Cloak for Almost-Visible Light


A ltima sobre light cloak

A última sobre light cloak

Presentation QTuG5 "Three-dimensional invisibility carpet cloak at 700 nm wavelength," by Joachim Fischer et al. is at 11 a.m. Tuesday, May 3. Fischer et al. will also present CML1, "Three-Dimensional Laser Lithography with Conceptually Diffraction-Unlimited Lateral and Axial Resolution," at 10:15 a.m. Monday, May 2.

Appearing in CLEO: QELS - Fundamental Science categorywas a paperdemonstrating a full 3-D invisibilitycloak in visible light by a researchteamfromthe Karlsruhe Instituteof Technology in Germany.

Ainda não publicado extensivamente


Resumo aula anterior

AMPLIFICADOR ÓPTICO

O QUE É

PARA QUE É

QUE TIPOS HÁ


Exemplo de comunica o ptica

Exemplo de comunicação óptica


Antigamente

Antigamente

  • Tradicionais repetidores eletrônicos


Objetivos dos amplificadores

Objetivos dos amplificadores


Parte das perdas s o atribu das a diferentes tipos de acoplamentos lembremos

Parte das perdas são atribuídas a diferentes tipos de acoplamentosLembremos


Resumo aula anterior

SMF

SMF

SMF

ωo = 5.15µm

núcleo

núcleo

SMF

ωo = 25µm

Eficiência de Acoplamento

Sensitividade ao desalinhamento transversal

∆x

η(∆x) = e –(∆x/ωo)2

www.worldtechconsultants.com


Resumo aula anterior

SMF

SMF

Ө

SMF

ωo = 25µm

núcleo

núcleo

SMF

ωo = 5.15µm

Eficiência de acoplamento

Sensitividade de desalinhamento angular

η(Ө) = e -(ΠӨωo/λ)2

  • Modo expandido melhora a sensitividade de desalinhamento transversal, mas aumenta a sensitividade angular.

  • Modo limitado pelas dimensões da fibra -> bom compromisso


Resumo aula anterior

SMF

SMF

núcleo

núcleo

SMF

ωo = 5.15µm

SMF

ωo = 5.15µm

SMF

ωo = 25µm

SMF

ωo = 25µm

Eficiência de acoplamento

Sensitividade por desalinhamento longitudinal

∆z

For “large” ∆z lensing is required

η(z) = 1/(1+λz/(1+ Πz/2ωo2)2


Resumo aula anterior

Pq há necessidade de um amplificador óptico?

Atenuação do sinal.

De onde vem a atenuação do sinal?

São várias as razões: longa distância, acoplamento entre outras.

Qual a vantagem de ter um amplificador óptico?

Principalmente amplificar um sinal óptico sem necessidade de converte-lo antes em elétrico.


Outros tipos de sistemas para acoplamento da luz com fibra para minimizar perdas

Outros tipos de sistemas para acoplamento da luz com fibra para minimizar perdas


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Componente

óptico

Lente no feixe

  • O feixe Gaussiano pode ser caracterizado por sua fase e amplitude em qualquer ponto do feixe

  • Para um acoplamento “perfeito” tanto a fase e amplitude devem estar casadas


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Tela

Lentes no feixe

Aplicações

  • Componentes passivos

    • isoladores

    • filtros

    • splitters

    • circuladores

    • WDM

    • alguns são dispositivos com mais de 2 portas

    • lasers

    • receptores

    • moduladores

  • Projeção de feixe

    • Solda a laser

    • apontadores

Componentes ópticos entre fibras

Isolator

Laser


O que h em usar lentes discretas

O que há em usar lentes discretas

  • Duram bastante tempo

    • Alta performance

    • Oferece desenho de dispositivos mais flexíveis

    • Relativamente barato

    • Continua a ser ”bons amigos” na industria

MAS…

  • A colocação de componentes adicionais, e.g., lentes

    • reduce a robustes e confiabilidade

    • aumento de custos de manipulação

  • Maioria das lentes discretas são grandes em relação às fibras

    • Aumento no tamanho das embalagens

    • Aumento no tamanho do modo – OK para algumas aplicações mas não para outras


  • Resumo aula anterior

    Typical n(r) - Square Law

    n(R) -Refractive Index (au)

    R

    GRIN Lens

    a

    0

    R - Radial Distance (au)

    a

    a

    Fiber

    GRIN Lens

    Graded-Index Lens

    • GRIN lens very popular - high quality & cylindrical shape

      • But, large and expensive


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    SM Fiber

    L=1/4 Pitch

    L > ¼ Pitch

    Graded Index MMF

    Imagem com sistema Fibra/Lente Grin


    Fibra lente

    Fused

    “Collimated” Beam

    MMF Lens

    SMF

    Core (SMF)

    Core (MMF)

    ¼ Pitch

    Fibra-lente


    Resumo aula anterior

    Fibras-Lentes Fundidas

    Vantagens

    Podem ser fundidas em fibras

    • Elimina a sensitividade do desalinhamento transversal de fibras SM

    • Casamento de índice na interface – minimiza reflexões e perdas

  • Tendo o mesmo diâmetro SMFsimplificação de desenho e empacotamento

  • Custo da lente ~”zero”

  • Oferece um bom compromisso entre sensitividades transversal e angular

  • Altamente flexível: da expansão de modo simples para sistemas de focamento


  • Montagem da fibra lente fundida processos cr ticos

    • Core/core alignment

      • Fiber eccentricity

      • Core concentricity

    • Reproducible fusion process

      • Interface diameter control

        • Fiber eccentricity

        • Bulging/necking

      • Dopant diffusion control

    • Means to polish endface

    • Final length control

    • Apex control

    • Determination of beam

    • parameters vs endface contour

    • Relationship of endface contour

    • and optical performance

    Montagem da fibra-lente fundidaProcessos críticos

    MMF

    SMF

    • Fiber lens choice:

      • Eccentricity

      • Centricity of core

      • Fusion compatability

      • Uniformity & Flexibility)

    • Accurate & reproducible lens

    • length

      • Post fusion

      • After final polish

    3. Fiber Lens Endface

    2. Fiber Lens

    1. Fiber/Lens Fused Interface


    Outra op o de fibra lente

    MMF Lens

    SMF

    Core (MMF)

    Core (SMF)

    Silica

    Section

    Outra opção de Fibra-Lente

    • The insertion of a silica “fiber section” between the SMF and the MMF lens adds additional flexibility to fiber-lens applications


    Lembrem se mais uma aquela da lente esf rica formato de bola na frente da fibra

    Lembrem-se mais uma aquela da lente esférica formato de bola na frente da fibra


    Acoplamento fibra esfera fibra fibra

    Acoplamento fibra-esfera/fibra-fibra


    Amplificadores pticos

    Amplificadores Ópticos


    Diferentes tipos de amplificadores pticos

    Diferentes tipos de Amplificadores Ópticos

    • Semicondutor (SOA) (= Semiconductor Optical Amplifier)

      • SOA convencional

      • GC-SOA (Gain-Clamped SOA)

      • LOA (Linear Optical Amplifier)

    • Fibra Óptica (FOA)Fibras dopadas com Terras Raras

      • Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA) : C, L-Band

      • Thulium-Doped Fiber Amplifiers (TDFA) : S-Band

      • Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers (PDFA) : O-Band

    Conversosr de frequência  comprimento de onda

    http://www.ee.byu.edu/photonics/fwnomograph.phtml


    Conversosr de frequ ncia comprimento de onda http www ee byu edu photonics fwnomograph phtml

    Conversosr de frequência  comprimento de ondahttp://www.ee.byu.edu/photonics/fwnomograph.phtml

    Equation: f * λ = c where: f = frequency in Hertz (Hz = 1/sec) λ = wavelength in meters (m) c = the speed of light and is approximately equal to 3*108 m/s

    Frequency / Wavelength Calculator

    If you want to convert wavelength to frequency enter the wavelength in microns (μm) and press "Calculate f". The corresponding frequency will be in the "frequency" field in GHz.OR enter the frequency in gigahertz (GHz) and press "Calculate λ" if you want to convert to wavelength. Wavelength will be in μm.

    **see nomograph below


    Http www teleco com br tutoriais tutorialdwdm pagina 4 asp desde ha um tempo

    http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialdwdm/pagina_4.asp desde ha um tempo


    Mapa atualizado 2011

    Mapa atualizado (2011?)


    Resumo aula anterior

    Hoje

    • Amplificadores a diodo laser

    • Amplificadores a fibra dopada (Er, operam em 1,55m m ). O Amplificador Óptico a Fibra Dopada com Érbio (AFDE) pode funcionar como amplificador de potência para aumentar o nível do sinal de saída do transmissor; posicionado na entrada do receptor, como pré-amplificador, para aumentar a sensitividade na recepção; ou como repetidor ou amplificador de linha para amplificar o sinal já atenuado ao longo do enlace óptico.

    • TX representa o transmissor do sinal

    • RX representa o receptor do sinal,

    • SMF representa a Fibra Monomodo Padrão (Standard Monomode Fibers) sendo o meio de transmissão,

    • AFDE que representa o Amplificador a Fibra Dopada com Érbio.


    Diagrama de blocos de um repetidor regenerativo

    Diagrama de blocos de um repetidor regenerativo

    • Uma das grandes vantagens dos amplificadores ópticos está no fato de um único amplificador poder substituir todo o complexo circuito que compõe um repetidor regenerativo.

    • CAG representa o Controlador de Aumento e Ganho do repetidor regenerativo

    • A conseqüência imediata é o aumento da velocidade de transmissão. Outro ponto importante é que esses amplificadores são transparentes à taxa de bits e pode-se aumentar a taxa de transmissão, por exemplo: de 155Mbps para 622Mbps, sem que seja necessário alterar o sistema de amplificação.


    Componentes de um edfa ou afde

    Componentes de um EDFA ou AFDE

    • laser semicondutor de bombeamento, operando em uma das bandas de absorção do Érbio, 980nm ou 1480nm

    • por um acoplador que opera com multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), cuja função é acoplar em uma mesma fibra a potência óptica do laser de bombeamento e o sinal óptico a ser amplificado

    • um trecho limitado de fibra dopada com érbio (FDE), responsável pelo processo de amplificação.


    Diagrama de n veis de energia do er 3

    Diagrama de níveis de energia do Er3+


    Tipos de emiss o estimulada e espont nea

    Tipos de emissão: Estimulada e espontânea


    Como opera o edfa

    Como opera o EDFA

    • Um EDFA consiste de uma extensão curta de fibra(~ 10m) dopada com uma pequena quantidade controlada de Er3+.

    • Os íons de Er3+ tem vários estados de energia (meta-estados). Quando o Er está num estado excitado, um fóton de luz poderá estimular para que ceda algo de sua energia na forma de luz voltando para um estado de menor energia mais estável.

    • A medida que o sinal de entrada está sendo alimentado no sistema, um laser diodo gera um sinal de bombeio (10 a 200 mW)(l = 980nm ou 1480nm) de tal forma que os íons de Er absorverão os fótons indo para estados excitados.


    Princ pios do amplificador ptico 1

    ERBIUM ELECTRONS

    IN EXCITED STATE

    ENERGY ABSORPTION

    PUMP PHOTON

    980 nm

    PUMP PHOTON

    980 nm

    ERBIUM ELECTRONS

    IN FUNDAMENTAL STATE

    ERBIUM ELECTRONS

    IN FUNDAMENTAL STATE

    Princípios do Amplificador Óptico 1


    Princ pios do amplificador ptico 2

    EXCITED

    STATE

    TRANSITION

    METASTABLE STATE

    PUMP PHOTON

    980 nm

    FUNDAMENTAL STATE

    Princípios do Amplificador Óptico 2

    NR


    Princ pios do amplificador ptico 3

    TRANSITION

    EXCITED

    STATE

    METASTABLE STATE

    STIMULATED

    PHOTON

    1550 nm

    PUMP PHOTON

    980 nm

    SIGNAL PHOTON

    1550 nm

    FUNDAMENTAL STATE

    FUNDAMENTAL STATE

    Princípios do Amplificador Óptico 3


    Perfil do ganho do amplificador ptico

    Perfil do Ganho do Amplificador Óptico

    ASE = Amplified Spontaneous Emission


    Ase amplified spontaneous emission

    ASE = Amplified Spontaneous Emission

    • O que é ASE

    • Efeitos da ASE sobre sistemas em cascata

    • Como atenuar a ASE

    • Aplicações positivas da ASE


    Amplificador ptico amplifica o de multi comprimentos de onda

    Amplificador Óptico:Amplificação de Multi-Comprimentos de Onda


    Configura es de montagens de edfa

    Configurações de montagens de EDFA

    OI = Optical Isolator

    WSC = Wavelength Selective Coupler

    (a) Bombeamento co-propagado – baixo ruído baixa potência de saída

    (b) Bombeamento contra-propagado – maior potência de saída mas maior ruído

    (c)Bombeamento dual


    Melhor bombear com 980nm ou 1480nm

    Melhor bombear com 980nm ou 1480nm?

    • Com 980nm

      • Baixo ASE, amplificador de ruído bx

    • Com 1480nm

      • Laser de bombeio maior

      • Maior potência de saída

      • Não tão eficiente

      • Grau de inversão de população é menor


    Quais fontes de laser para bombear

    Quais fontes de laser para bombear?


    Outro exemplo

    Outro exemplo

    GFF = Gain-Flattening Filters

    http://www.furukawa.co.jp/review/fr020/fr20_05.pdf


    Em sistemas de transmiss o usamos unidades de pot ncia em db assim

    Em sistemas de transmissão usamos unidades de potência em dB. Assim........


    Decibel db num sistema de transmiss o

    DECIBEL (dB)– num sistema de transmissão

    Sistema

    Potência de Entrada = Pin

    Potência de Saída = Pout

    Transmissão do Sistema :

    Exemplos:

    -10dB é Pout = Pin/10

    -40dB é Pout = Pin10-4

    Transmissão em dB:

    dBm é a Potência em dB relativo a 1mW

    Exemplos:

    -10dBm é P = 0,1W

    +40dB é P = 10W


    Ganho do edfa

    Ganho do EDFA

    • O ganho do EDFA depende do comprimento da fibra. O ganho começa a decrescer após certo comprimento devido a que o bombeio não tem potência suficiente para criar a inversão de população.

    • Assim a região não bombeada absorve o sinal

      • Gmax = exp(rsL)

    • sé a seção transversal da emissão do sinal

    • ré a concentração de Er

    • L é o comprimento do amplificador de fibra


    Ganho e ru do nas configura es anteriores

    Ganho e ruído nas configurações anteriores


    Emiss o espont nea amplificada ase

    Emissão Espontânea Amplificada (ASE)

    • A fonte dominante de ruído num amplificador óptico é a Emissão Espontânea Amplificada (ASE)

    • Alguns dos íons de Er excitados decaem para o estado fundamental com emissão espontânea antes que tenha tempo de se encontrar com um fóton do sinal de entrada. Assim o fóton é emitido com a fase randômica e direção

    • Uma fração muito pequena dos fótons emitidos ocorrerão na mesma direção da fibra e confinados


    Pot ncia de sa da vs comprimento de onda

    Potência de saída vs comprimento de onda

    Amplificação entre 1.53 e 1.56 mm.


    Largura de banda de ganho de amplificadores pticos

    Largura de banda de ganho de amplificadores ópticos


    Uma das formas para atenuar ase

    Uma das formas para atenuar ASE


    Refer ncias

    Referências

    • Fiber-Optic Communication Systems, GovindAgrawal, 2nd Edition, 1997.

    • Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology, P.C. Becker, 1999.

    • Fiber Optic Test and Measurement, D. Dercikson, 1998

    • Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices and Applications, SudoShoichi, 1997.

    • Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Michel J. F. Digonnet, 2001.

    • Semiconductor Optical Amplifier, Michael J. Connelly, 2002.

    • Advances in Optical Amplifiers, Edited by Paul Urquhart, 2011.


    Nota o de alguns ao de fibra

    Notação de alguns AO de fibra

    • EDFA (do Inglês: Erbium Doped Fibre Amplifier )

    • EYDFA ( do Inglês: Erbium Ytterbium Doped Fibre Amplifier )

    • PDFFA (do Inglês: Praseodymium Doped Fluoride Fibre Amplifier )

    • TDFFA (do Inglês: Thulium Doped Fluoride Fibre Amplifier )

    • RA (do Inglês: Raman Amplifier )

    • Híbridos


    Nota o de alguns ao de guia de onda planar owga optical waveguide amplifier

    Notação de alguns AO de guia de onda planar – OWGA – Optical WaveGuide Amplifier

    • EDWA (do Inglês: Erbium Doped Waveguide Amplifier )

    • SOA (do Inglês: Semiconductor Optical Amplifier )

    • LOA (do Inglês: Linear Optical Amplifier )

    • TIA (do Inglês: Transimpedance Integrated Amplifier )


    Resumo aula anterior

    SOA

    • Uma corrente elétrica passa através do dispositivo, com a finalidade de excitar elétrons na região ativa.

    • Quando os fótons se propagam através da região ativa pode fazer com que alguns destes elétrons percam energia na forma de fótons que coincidam com os comprimentos de onda daqueles incidentes.

    • Assim o sinal que passa através da região ativa é amplificada e dizemos que houve ganho.


    Dispositivo

    Dispositivo


    Optical amplifiers internal design

    Optical Amplifiers:Internal Design

    • Optical amplification is a key DWDM enabling technology

    • Amplifiers use wavelength band separation (bands : BLUE, RED, IR) to minimize gain tilt

    • Optimized multi-stage amplifier design

      • 1st stage optimized for low noise figure

      • 2nd stage optimized for high output power


    Multiest gios de ao

    2nd Active Stage

    Counter-pumped

    1st Active Stage

    Co-pumped

    Er3+

    Doped Fiber

    Er3+

    Doped Fiber

    Output

    Signal

    Input

    Signal

    Optical

    Isolator

    Optical

    Isolator

    Optical

    Isolator

    PUMP

    PUMP

    Multiestágios de AO

    Nf 1st/2nd stage = Pin - SNRo [dB] - 10 Log (hc2 / 3)

    Nftotal = Nf1+Nf2/G1


    Refer ncias1

    Referências

    • http://www.pad.lsi.usp.br/ipt-redes-2k3/aula10/cisco/cavanaugh1.ppt

    • http://www.light.utoronto.ca/vmehta/ase.pdf


    Distributed raman amplifier dra

    Distributed Raman Amplifier (DRA)

    • DRA está baseado sobre espalhamento Raman.

    • Um bombeamento maior é co-lançado num comprimento de onda menor daquele do sinal a ser amplificado.


    Espectroscopia raman

    Espectroscopia Raman


    Complementa o sobre ao

    Complementação sobre AO

    ERBIUM-DOPED PLANAR OPTICAL AMPLIFIERS

    A. Polman Publicado em: Proc. 10th European Conference on Integrated Optics (ECIO) Paderborn, Germany, April , 2001, p. 75 (2001)


    Transfer ncia de energia er eu

    Transferência de energia Er - Eu

    • http://kik.creol.ucf.edu/publications.html

    0.19at.%Er

    0.19at.%Er, 0.44at%Eu

    4I11/2=> 4I15/2 = 980nm

    4I13/2=>4I15/2 = 1540nm

    J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 8, 15 October 2000


    N veis de energia do er 3

    Níveis de energia do Er3+


    Transfer ncia de energia de qd de si e er

    Transferência de energia de QD de Si e Er


    Outros detalhes sobre edfa

    Outros detalhes sobre EDFA


    Fim sobre ao

    Fim sobre AO


    Diversas formas e ou dispositivos para realizar acoplamentos de multiplexagem

    Diversas formas e/ou dispositivos para realizar acoplamentos de multiplexagem


    Multiplexagem em wdm

    Multiplexagem em WDM


    Acopladores

    Acopladores


    Acopladores1

    Acopladores


    Acopladores2

    Acopladores


    Acoplador baseado em micro ptica

    Acoplador baseado em micro-óptica


    Acoplador bic nico e derivados

    Acoplador bicônico e derivados

    Razão de Divisão de Potência:


    Acoplador com fibras deslocadas lateralmente

    Acoplador com fibras deslocadas lateralmente


    Acoplador com n cleo sobreposto

    Acoplador com núcleo sobreposto


    Acoplador com n cleo sobreposto1

    Acoplador com núcleo sobreposto


    Acoplador com divisor de feixe

    Acoplador com divisor de feixe


    Acoplador em x

    Acoplador em X


    Acoplador em z

    Acoplador em Z


    Pr xima aula

    Próxima aula

    Defeitos em sólidos, centros de cor e Redes

    de Bragg


    Decibel db num sistema de transmiss o1

    DECIBEL (dB)– num sistema de transmissão

    Sistema

    Potência de Entrada = Pin

    Potência de Saída = Pout

    Transmissão do Sistema :

    Exemplos:

    -10dB é Pout = Pin/10

    -40dB é Pout = Pin10-4

    Transmissão em dB:

    dBm é a Potência em dB relativo a 1mW

    Exemplos:

    -10dBm é P = 0,1W

    +40dB é P = 10W


    Modos numa fibra

    Modos numa fibra


    Resumo aula anterior

    Fiber Modes – Single-Mode vs. Multimode Fibers

    A fiber can support one or several (sometimes even many) propagation modes the intensity distributions of which are located at or immediately around the fiber core, although some of the intensity may propagate within the fiber cladding. Other modes are not restricted to the core region and all called cladding modes. The power in these is usually lost after some distance of propagation, but can in some cases propagate over longer distances. Outside the cladding, there is typically a protective polymer coating, which gives the fiber improved mechanical strength and protection against moisture, and also determines the losses for cladding modes.

    An important distinction is that between single-mode and multimode fibers:

    Single-mode fibers usually have a relatively small core (with a diameter of only a few micrometers) and can guide only a single spatial mode (disregarding the fact that there are two different polarization directions), the profile of which in most cases has roughly a Gaussian shape. Changing the launch conditions only affects the launched power, while the spatial distribution of the light exiting the fiber is fixed. Efficiently launching light into a single-mode fiber usually requires a laser source with good beam quality and precise alignment of the focusing optics in order to achieve mode matching. There are actually also large mode area fibers with single-mode guidance, where the alignment tolerances are lower in terms of position but higher in terms of angle (which is less of a problem).

    Multimode fibers usually have a larger core and/or a larger index difference between core and cladding, so that they support multiple modes with different intensity distributions (see the figure below). In this case, the spatial profile of light exiting the fiber core may depend on the launch conditions, which determine the distribution of power among the spatial modes.


    Resumo aula anterior

    Fig.: Electric field contour lines for all the guided modes of a fiber with a top-hat refractive index profile (→ step index fiber). The two colors indicate different signs of electric field values. The lowest-order mode (l = 1, m = 0, called LP01 mode) has an intensity profile which is similar to that of a Gaussian beam. In general, light launched into a multimode fiber will excite a superposition of different modes, which can have a rather complicated shape.

    Long-range optical fiber communications systems usually use single-mode fibers, because the different group velocities of different modes would mess up the data at high data rates; for shorter distances, however, multimode fibers are more convenient as the demands on light sources and component alignment are lower. Therefore, local area networks (LANs), except those for highest bandwidth, normally use multimode fiber.

    Single-mode fibers are also normally used for fiber lasers and amplifiers. Multimode fibers are often used e.g. for the transport of light from a laser source to the place where it is needed, particularly when the light source has a poor beam quality and/or the high optical power requires a large mode area.

    Different modes of a fiber can be coupled via various effects, e.g. by bending, or often by irregularities in the refractive index profile. These may be unwanted or purposely introduced, e.g. as fiber Bragg gratings. Waveguide theory shows that an important factor for the coupling between different fiber modes is the difference of their wavenumbers, which for efficient coupling has to match the wavenumber of a coupling disturbance.

    Main Parameters

    The design of a step-index fiber can be characterized with only two parameters, e.g. the core radius a and the refractive index difference Δn between core and cladding. Typical values of the core radius are a few microns for single-mode fibers and tens of microns or more for multimode fibers.

    Instead of the refractive index difference, one usually uses the numerical aperture, defined as

    which is the sine of the maximum acceptable angle of an incident beam with respect to the fiber axis (considering the launch from air into the core in a ray-optic picture). The NA also basically quantifies the strength of guidance. Typical values are of the order of 0.1 for single-mode fibers, even though actual values vary in a relatively large range. For example, large mode area single-mode fibers can have low numerical apertures below 0.05, while some rare-earth doped fibers have values of 0.3 and higher for a high gain efficiency. NA values around 0.3 are typical for multimode fibers. The sensitivity of a fiber to bend losses strongly diminishes with increasing NA, which causes strong confinement of the mode field to the core.

    Another frequently used parameter is the V number

    which is a kind of normalized frequency. Single-mode guidance is achieved when the V number is below about 2.405. Multimode fibers often have huge V values.


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