Modos LP de uma fibra óptica

1. Modos LP de uma fibra óptica

3. Parâmetros normalizados

4. Parâmetros normalizados Frequência normalizada Constante de Propagação Normalizada Contraste (abertura numérica)

5. Modo fundamental da fibra

6. Modo fundamental LP01 • Modo LP01 único modo em regime unimodal • Frequência de corte nula VC = UC = 0 • Existe isolado na banda de frequências • Equação característica • Soluções aproximadas No intervalo 1.5 < V < 2.5 0 < V < 2.405 Solução de Gloge Solução de Rudolph/Neumann

7. Dispersão dos modos LP de uma fibra óptica

8. Distribuição de potência na Fibra

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

10. Dependência de aguns parâmetros modais com a frequência (normalizada)

11. (a) (b) (a) (b) (a) U2 /V2 = 0.1 ou b = 0.9 (b) U2 /V2 = 0.9 ou b = 0.1

12. Capacidade de transmitir informação

13. Transmissão do sinal na Fibra Óptica limitada por Atenuação Dispersão

14. Capacidade de transmitir informação • Capacidade  taxa máxima de transmissão fiável • C = B log2 (1 + S/N) [Lei de Shannon] • B – largura de banda do canal • BT - ritmo de transmissão máximo BT ~ 2 B Para transmitir ao ritmo BT ~ é necessário um canal com uma largura de banda B = BT /2 (código NRZ) ou B = BT (código RZ).

16. 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

17. Regime multimodal (descrição da óptica geométrica) Dispersão intermodal n2 n1 ∟' Өi Øt Øi ∟ • Raios meridionais • Velocidade máxima: modo cujos raios são praticamente axiais. • Velocidade mínima: modo cujos raios incidem na interface núcleo/baínha segundo • Raio axial • b) Raio meridional extremo

18. 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 Δtc → • Ritmo de transmissão máximo: • Soluções para reduzir/eliminar dispersão intermodal: • a) Fibras de núcleo não homogéneo • b) Fibras monomodo

21. ρ n (ρ) Fibra multimodal Perfil gradual Perfil parabólico • 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 n1 (ρ). • A velocidade de propagação aumenta com ρ porque n1 diminue com ρ, o que compensa os • percursos maiores a percorrer pelos raios associados aos modos de ordem superior.

22. 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. • Dispersão intermodal • Ocorre em fibras a operar em regime multimodal. Os modos apresentam vg diferentes (excepto quando são degenerados). • Dispersão material • O índice de refracção da fibra, n1, varia com ω. • Dispersão estrutural • Dispersão do guia de ondas (estrutura dieléctrica que guia as ondas). • As dispersões material e estrutural estão presentes quer em fibras em regime unimodal quer em regime multimodal e são ambas proporcionais à largura de banda do impulso transmitido.

23. Δλ << λ0 λ0 • Dispersão material - Alargamento do impulso • Dispersão traduzida na eq. característica: D (ω, kz) = 0 • Atraso de grupo por unidade de comprimento: Indice de grupo λ

24. 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)

26. Dependência de alguns parâmetros modais com a frequência (normalizada) Confinamento de potência Dispersão estrutural .

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. 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)

29. L Pin • Espaçamento L entre repetidores • Influência da atenuação • Atenuação ═> Amplificação • b) Distorção dispersiva • ═> Regeneração (da forma do sinal) • Atenuação • Prec = Fs 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) • Bt – ritmo de transmissão • Fs – factor de segurança (Fs > 1) • B0 – ritmo de transmissão de referência (bits/s)

30. L L0 BT L0 – espaçamento associado ao ritmo de referência B0. Variação lenta B0

31. L (log) atenuação distorção B(log) • 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.