Como a luz se propaga: reflexão, modos, abertura numérica

Uma fibra é um guia de onda: um núcleo de vidro envolto por vidro de índice de refração ligeiramente menor, de modo que a luz que encontra a fronteira em um ângulo raso é refletida de volta em vez de escapar. Desse único fato decorrem as diferenças entre fibra monomodo e multimodo, o ângulo de aceitação que decide quanto da luz de uma fonte entra, a razão pela qual uma curva fechada vaza luz, e os graus OM1–OM5 e OS2 aos quais os datasheets se referem. Esta página cobre essa física até a profundidade usada no projeto de enlaces.

Estrutura de uma fibra

A diferença de índice de refração entre núcleo e casca é minúscula — cerca de 0,3–0,5 % — mas é suficiente porque a luz viaja quase paralela ao eixo.

Reflexão interna total e abertura numérica

A luz que passa de um meio mais denso para um menos denso se afasta da normal; além do ângulo crítico ela é totalmente refletida. Em uma fibra, isso significa que os raios dentro de um cone ao redor do eixo ficam presos. O semiângulo desse cone no ar é definido pela abertura numérica:

NA mais alta = acoplamento mais fácil, mas mais modos e mais dispersão modal.

Modos

Um modo é um padrão de campo estável que pode se propagar pelo guia. Quantos existem depende do tamanho do núcleo, da NA e do comprimento de onda (o número V):

A fibra monomodo só é monomodo acima do seu comprimento de onda de corte (≈ 1 260 nm para a G.652): em 850 nm ela carrega vários modos, razão pela qual um módulo SR de 850 nm em fibra monomodo não funciona corretamente, e razão pela qual “monomodo em 1310/1550” é o pareamento correto (Incompatibilidades físicas).

Índice degrau e índice gradual

A qualidade do perfil gradual é o que separa OM3 (2 000 MHz·km) de OM4 (4 700 MHz·km): a mesma geometria, uma curva de índice mais precisa.

Diâmetro do campo modal e perda de acoplamento

Na fibra monomodo a luz não fica confinada ao núcleo de 9 µm; seu diâmetro do campo modal (MFD) é ≈ 9,2 µm em 1310 nm e ≈ 10,4 µm em 1550 nm. Duas fibras com MFDs diferentes, ou um desalinhamento lateral em um conector, perdem luz:

Daí as regras “nunca misturar 50 e 62,5” e “nunca misturar monomodo e multimodo” (Conectores e tipos de fibra).

Perda por curvatura

O multimodo é mais tolerante a curvaturas, mas perde primeiro os modos de ordem mais alta, o que altera sua largura de banda.

Graus de fibra em uma única tabela

Alcance por PMD e grau: Tabelas de alcance.

O que isso significa no transceptor

• O tipo de conector e o tipo de fibra do módulo precisam corresponder à planta: SR/SR4 em OM3/OM4, todo o resto em OS2.
• A condição de lançamento de um laser (encircled flux para VCSELs) é definida pelas normas para que os valores de largura de banda do multimodo se sustentem — um módulo fora da especificação entrega um alcance menor do que as tabelas prometem.
• Módulos monomodo em fibra multimodo (com um cordão de condicionamento de modo) era um truque de 1G (1000BASE-LX em OM1); isso não se estende a 10G+.

No CodingBox

O módulo informa ao host para qual fibra ele é destinado: código do conector, comprimento de onda e os campos de comprimento para SMF, OM1, OM2, OM3 e OM4 — os mesmos graus de acima. O CodingBox os exibe, de modo que a questão da fibra fique resolvida antes de o módulo sair da bancada (Check transceiver, Mapa de memória).

As fibras padronizadas que esses princípios produzem — ITU-T G.652 a G.657, graus multimodo OM1–OM5, fibras especiais, perdas de junção entre fibras dissimilares e como identificar o que está instalado: Tipos de fibra.