Fibra Óptica Tutorial – Fibra Óptica – Comunicação de Fibra

Termos Básicos

Refração da luz

Como um raio de luz passa de um meio transparente para outro, muda de direção; esse fenômeno é chamado de refração da luz. O quanto esse raio de luz muda sua direção depende do Índice de refração dos médiuns.

Índice de Refração

índice de Refração é a velocidade da luz no vácuo (abreviado c, c=299,792.458 km / segundo) dividido pela velocidade da luz em um material (abreviado v). O índice de refração Mede o quanto um material refrata a luz. Índice de refração de um material, abreviado como n, é definido como

n=c/v

a Lei de Snell

Em 1621, um físico holandês chamado Willebrord Snell derivada de relação entre os diferentes ângulos de luz que passa de um meio transparente para outro. Quando a luz passa de um material transparente para outro, dobra de acordo com a lei de Snell, que é definida como:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

onde:
n1 é o índice de refração do meio a luz está deixando
θ1 é o ângulo de incidência entre o feixe de luz e a normal (normal é de 90° para a interface entre dois materiais)
n2 é o índice de refração do material de que a luz é a introdução de
θ2 é o ângulo de refração entre o raio de luz e a normal

Nota:

Para o caso de θ1 = 0° (i.é., um raio perpendicular à interface) a solução é θ2 = 0°, independente dos valores de n1 e n2. Isso significa que um raio que entra num meio perpendicular à superfície nunca é dobrado.

acima também é válida para a luz a partir de uma densa (maior n) para um menos denso (menor n) material; a simetria de Snell da lei mostra que a mesma ray caminhos são aplicáveis em direção oposta.

Reflexão Interna Total

Quando um raio de luz atravessa uma interface em um meio com maior índice de refração, ele se volta para o normal. Inversamente, a luz que viaja através de uma interface de um meio de índice de refração mais elevado para um meio de índice de refração mais baixo irá se curvar longe do normal.

this has an interesting implication: at some angle, known as the critical angle θc, light traveling from a higher refractive index medium to a lower refractive index medium will be refrated at 90°; in other words, refrated along the interface.

se a luz atingir a interface em qualquer ângulo maior do que este ângulo crítico, ela não passará para o segundo meio em tudo. Em vez disso, tudo será refletido de volta para o primeiro meio, um processo conhecido como reflexão interna total.

The critical angle can be calculated from Snell’s law, putting in an angle of 90° for the angle of the refrated ray θ2. Isso dá θ1:

Desde

θ2 = 90°

Então

sin(θ2) = 1

Então

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

Por exemplo, com a luz, tentando sair de vidro com n1=1.5 no ar (n2 =1), o ângulo crítico θc é arcsin(1/1.5), ou 41.8°.

Para qualquer ângulo de incidência maior que o ângulo crítico, a lei de Snell não será capaz de ser resolvidos para o ângulo de refração, porque ele vai mostrar que o ângulo de refração tem uma condição sine maior do que 1, o que não é possível. Nesse caso, toda a luz se reflete totalmente fora da interface, obedecendo à Lei da reflexão.

How Optical Fiber Works

Optical fibers are based entirely on the principle of total internal reflection. Isto é explicado no quadro seguinte.

Optical fiber is a long, thin strand of very pure glass about the diameter of a human hair. As fibras ópticas são dispostas em feixes chamados cabos ópticos e usadas para transmitir sinais de luz em longas distâncias.

a estrutura de uma fibra óptica

as fibras ópticas típicas são compostas de núcleo, revestimento de revestimento e revestimento de tampão.

o núcleo é a parte interna da fibra, que guia a luz. O revestimento rodeia completamente o núcleo. O índice de refração do núcleo é maior do que o do revestimento, de modo que a luz no núcleo que atinge a fronteira com o revestimento em um ângulo menor do que o ângulo crítico será refletida de volta para o núcleo por reflexão interna total.

para os tipos mais comuns de fibra óptica de vidro, que inclui fibras de modo único 1550nm e fibras multimodo 850nm ou 1300nm, o diâmetro do núcleo varia de 8 ~ 62,5 µm. O diâmetro de revestimento mais comum é de 125 µm. O material do revestimento do tampão é geralmente de plástico macio ou duro, tais como acrílico, nylon e com diâmetro varia de 250 µm a 900 µm. O revestimento de tampão fornece proteção mecânica e flexibilidade de flexão para a fibra.

Modo De Fibra Óptica

o que é Modo De Fibra Óptica?

uma fibra óptica guia as ondas de luz em padrões distintos chamados modos. Mode descreve a distribuição de energia leve através da fibra. Os padrões precisos dependem do comprimento de onda da luz transmitida e da variação do Índice de refração que molda o núcleo. Em essência, as variações no índice de refração criam condições de fronteira que moldam como as ondas de luz viajam através da fibra, como as paredes de um túnel afetam como os sons ecoam dentro.

podemos dar uma olhada em fibras de grande núcleo step-index. Os raios de luz entram na fibra em uma gama de ângulos, e os raios em diferentes ângulos podem todos estavelmente viajar para baixo o comprimento da fibra, desde que eles atinjam a interface de revestimento do núcleo em um ângulo maior do que o ângulo crítico. Estes raios são modos diferentes.

fibras que carregam mais de um modo em um comprimento de onda de luz específico são chamadas fibras multimodais. Algumas fibras têm um núcleo de diâmetro muito pequeno que podem transportar apenas um modo que viaja como uma linha reta no centro do núcleo. Estas fibras são de modo único. Isto é ilustrado na figura seguinte.

perfil do Índice de Fibra Óptica

perfil do índice é a distribuição do Índice de refração através do núcleo e o revestimento de uma fibra. Algumas fibras ópticas têm um perfil de índice de passo, no qual o núcleo tem um índice uniformemente distribuído e o revestimento tem um índice uniformemente distribuído mais baixo. Outras fibras ópticas têm um perfil de índice graduado, no qual o índice de refração varia gradualmente em função da distância radial do centro de fibra. Os perfis de índice graduado incluem perfis de índice power-law e perfis de índice parabólico. A figura seguinte mostra alguns tipos comuns de perfis de índice para modo único e fibras multimodais.

Abertura numérica da fibra óptica(NA)

a fibra óptica multimodo só irá propagar a luz que entra na fibra dentro de um cone determinado, conhecido como o cone de aceitação da fibra. O meio-ângulo deste cone é chamado de ângulo de aceitação, θmax. Para fibras multimodais de índice de passo, o ângulo de aceitação é determinado apenas pelos índices de refração:

Onde
n é o índice de refração do meio a luz está viajando antes de entrar na fibra
nf é o índice de refração do núcleo da fibra
nc é o índice de refração do revestimento

Como Calcular o Número de Modos de Fibra?

modos são por vezes caracterizados por números. As fibras de modo único carregam apenas o modo de menor ordem, atribuído o número 0. As fibras multimodais também carregam modos de ordem superior. O número de modos que podem propagar-se em uma fibra depende da abertura numérica da fibra (ou ângulo de aceitação), bem como de seu diâmetro central e do comprimento de onda da luz. Para um passo-fibra multimodo de índice, o número de tais modos, Nm, é aproximada por

Onde
D é o diâmetro de núcleo de
λ é o comprimento de onda de operação
ND é a abertura numérica (ou ângulo de aceitação)

Nota: esta fórmula é apenas uma aproximação e não funciona para fibras levar apenas alguns modos.