1 Fundamentos de Transmisión de Datos con Fibra Óptica M.en T. Juan Roberto Hernández Garibay

2 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica

3 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica3 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica En 1870, John Tyndall, demostró que la luz utilizaba reflexión interna que seguía un camino especifico.

4 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica4 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica En 1880, William Wheeling patentó un método de transferencia de luz llamado entubamiento de luz “piping light” En el mismo año, Alexander Graham Bell desarrollo un sistema de transmisión óptica de voz que llamo fotófono. En los 50’s Brian O’Brien y colegas, desarrollaron el alcance de la fibra que era totalmente de vidrio. El desarrollo del recubrimiento en la fibra de vidrio fue motivado por la pérdida óptica cuando se utilizaban fibras de vidrio sin recubrir. La fibra interior o núcleo fue utilizado para transmitir la luz mientras que el recubrimiento o cladding, prevenía que la luz no se saliera del núcleo.

5 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica5 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica La ley de Snell : el ángulo en el cual la luz es reflejada depende del índice de refracción de dos materiales, en este caso el núcleo y el recubrimiento. El bajo índice de refracción del recubrimiento (con respecto al núcleo) causa que la luz sea regresada dentro del núcleo.

6 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica6 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica En 1957, Gordon Gould popularizó la idea de utilizar láseres. Charles Townes y Artur Schawlow en los laboratorios Bell investigaron el láser en círculos científicos. Los láseres fueron a través de varias generaciones incluyendo el desarrollo del láser rubí y el láser neón-helio en 1960. El láser de semiconductor fue realizado en 1962, marcando el inicio del láser mas ampliamente usado en la fibra óptica hoy en día. Charles Kao y Charles Hockham, en 1966, publicaron una propuesta de referencia donde la fibra debería tener una atenuación (pérdida de la señal a lo largo) por debajo de 20 dB por kilómetro.

7 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica7 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica En 1970 los doctores Robert Maurer, Donal Keck y Peter Schultz de Corning desarrollaron una fibra que exhibía una atenuación menor de 20dB/Km. Esto fue hecho del cristal más puro nunca antes hecho

8 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica8 Historia de la Tecnología de la Fibra Óptica La primer fuente de luz de la fibra óptica fue derivada del LED. Las fibras ópticas se desarrollaron durante años en una serie de generaciones que pueden ser relacionadas con la longitud de onda. Dependiendo de la longitud de onda las generaciones se dividieron en “Ventanas” donde: Primer Ventana 850nm. Segunda Ventana 1310nm. Tercer Ventana 1550nm. Cuarta Ventana 1625nm.

9 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica9 “Ventanas” Primer Ventana (850nm) La región de los 850 nm fue inicialmente atractiva porque las tecnologías para emisores de luz en estas longitudes de onda estaban hechas con indicadores visibles LEDS. Segunda Ventana (1310nm) En su época ésta gano con un índice de atenuación mas bajo de 0.5 dB/km. Tercer Ventana (1550 nm) Esta ofrecía la perdida óptica menor basada en fibras, cerca de los 0.2 dB/km. Cuarta Ventana (1625nm) Mientras que no sea menor que la perdidas de la ventana de 1550 nm, las perdidas son comparables, y pueden simplificar algo de lo complejo de la grandes longitudes y sistemas de comunicación de múltiples longitudes de onda.

10 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica10

11 Fundamentos de la Fibra Óptica

12 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica12 Fundamentos de Fibra Optica La fibra óptica pone una gran ventaja sobre el medio de cobre porque puede manejar señales de alta velocidad sobre distancias extensas. Otras ventajas de la fibra incluye: Inmunidad a la radiación electromagnética (EM) y luz Peso ligero Alto Ancho de Banda Mejor Calidad de Señal Bajo Facil Actualizacion Facilidad de instalación

13 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica13 Principios De La Transmisión De Fibra Óptica. Los componentes de la fibra óptica transmiten información cambiando las señales electrónicas en señales de luz. La luz se refiere a mas de la porción del espectro electromagnético que es visible al ojo humano. El espectro electromagnético es compuesto de luz visible y luz cercana al infrarrojo que se transmiten por la fibra, y todas las otras longitudes de onda usadas para transmitir señales tales como AM y FM radio y televisión.

14 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica14 Espectro Electromagnético

15 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica15 Espectro Electromagnético

16 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica16 Longitud de Onda El termino longitud de onda se refiere a las ondas de luz propiamente Medida de la distancia de un solo ciclo de una onda electromagnética que cubre en su viaje un ciclo completo, medida en nanómetros o micrómetros. La longitud de onda de la luz utilizada en las aplicaciones de la fibra pueden ser descompuestas en dos categorías: cercano al infrarrojo y visible. La luz visible, es definida por el ojo humano, en el rango de longitud de onda desde los 400 a los 700 nanómetros (nm).

17 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica17 Elementos básicos de los enlaces de fibras ópticas El transmisor (Tx) la fibra óptica El receptor (Rx) que decodifica la señal óptica a la salida de los datos. USERS INPUT(S) USERS OUTPUT(S)

18 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica18 El Transmisor de Fibra Óptica El Transmisor, utiliza una interface eléctrica para codificar la información de usuarios a través de la modulación. Tres formas típicas de modulación Modulación por amplitud (AM), Modulación por frecuencia (FM) y Modulación digital. La salida eléctrica del modulador es usualmente transformada en luz por un diodo emisor de luz (LED) o diodo láser (LD).

19 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica19 El Transmisor de Fibra Óptica Video Audio RS-232 RS-422 RS-485 ETC. A.M. F.M. DIGITAL MODULATION USER INPUT(S) USER OUTPUT(S) Light-emmiting Diode (LED) Laser Diode(LD) Vanous Wavelengths 660nm 780nm 850nm (first window) 1300nm (second window) 1550nm (third window) 1625nm(fourth window)

20 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica20 Receptor de Fibra Óptica El Receptor decodifica la señal de regreso en señales eléctricas. convierten una señal óptica en una señal eléctrica Dos tipos de detectores de luz son típicamente utilizados: PIN fotodiodo No requieren soporte de circuitería adicional Son muy económicos, Requieren de amplificadores de etapas más complejas Fotodiodo de avalancha (APD). son mas caros requieren soporte electrónico adicional provee una buena ganancia interna necesitan ser provistos de alto voltaje que debe ser compensado con la temperatura Típicamente, los detectores son hechos de Silicio (Si), Indio Arsenuro de Galio (InGaAS) o Germanio (Ge).

21 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica21 Receptor de Fibra Optica Video Audio RS-232 RS-422 RS-485 ETC. A.M. F.M. DIGITAL MODULATION USER INPUT(S) USER OUTPUT(S) PIN Diode (PIN) Avalanche Photodiode(APD) Vanous mATERIALS Silicon (SI) Indium Galium Arsenide (InGaAs) Germanium (Ge)

22 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica22 Detectores de Luz Los detectores son dispositivos opto - electrónicos. Convierten señales ópticas de vuelta a impulsos eléctricos. El detector más común es el fotodiodo semiconductor. Entre los Detectores se encuentran: PIN (Positivo Intrínseco Negativo) IDP (Integrate Detector/Preamplifier) APD (Avalancha)

23 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica23 Principio de Funcionamiento Absorbe fotones incidentes Produce pares de electrón-hueco Produce una corriente eléctrica impulsada por un campo electrónico.

24 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica24 Parámetros Importantes de los Detectores RESPONSIVIDAD Es la proporción de la corriente de salida a la luz de entrada. (Amp/Watt) R= n. /1240 R= Responsividad de el detector en Amp/Watt. n= Eficiencia Cuántica =Longitud de Onda en nanometros EFICIENCIA CUANTICA Es la proporción de los pares hueco–electrón primarios creados por fotones incidentes. CAPACITANCIA La capacitancia de un detector es dependiente sobre el área activa del dispositivo y el voltaje inverso a través del dispositivo.

25 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica25 Parámetros Importantes de los Detectores TIEMPO DE RESPUESTA El tiempo de respuesta representa el tiempo necesitado por el fotodiodo para responder a la entrada óptica y producir una corriente externa. CORRIENTE OBSCURA Esto implica que el detector manda una corriente externa donde no hay luz, es una pequeña corriente, que fluye a través del detector en ausencia de luz debido a la resistencia intrínseca del detector y el voltaje inverso aplicado. EFECTO DE BORDE Si una fuente de luz de onda continua es utilizada, el operador casi siempre se engaña alineando la fibra con el borde del detector, no el centro, por la alta responsividad. La respuesta es menor en el borde comparado a la región central. Los detectores se alinean a la fibra utilizando una fuente de onda cuadrada de alta frecuencia y un osciloscopio para ver los bordes mas claramente.

26 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica26 Parámetros Importantes de los Detectores LINEALIDAD Y REFLEXION INVERSA (Reflejos) Todos los Diodos PIN son esencialmente dispositivos lineales. Pero hay que tener cuidado en las aplicaciones CATV. Alinear una fibra para un bajo reflejo. Una baja distorsión de diodo PIN puede ser más delicado que alinear a una fibra a un diodo láser.

27 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica27 Parámetros Importantes de los Detectores RUIDO Es cualquier energía eléctrica u óptica fuera de la señal misma. Es mas critico en el receptor porque trata de interpretar una señal débil. En un transmisor es insignificante puesto que la señal en el transmisor es más fuerte que la señal atenuada que el receptor recoge.

28 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica28 Parámetros Importantes de los Detectores Ruido de disparo ocurre cuando son creados los pares electrón – hueco. La corriente varia, creando ruido de disparo. El ruido de disparo ocurre cuando no hay caídas de luz en el detector. Ruido Térmico, surge de fluctuaciones en la resistencia de carga del detector. Los electrones en la resistencia no son estacionarios, y su energía termal les permite a ellos moverse alrededor. El ruido de disparo y el ruido térmico existen en el receptor independientemente de la llegada de potencia óptica.

29 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica29 FOTODIODO PIN Características: El área de agotamiento (área de detección activa) es pequeña Cada fotón absorbido crea idealmente un par hueco - electrón (relación uno a uno)que pone un electrón en el flujo en el circuito externo La región agotada se hará tan larga como sea posible. Una capa intrínseca dopada separa claramente las capas en las mas pesadamente dopadas tipos - p y tipos-n. En la ausencia de luz, se comportan eléctricamente como un diodo rectificador ordinario.

30 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica30 Modos de Operación PIN El modo fotovoltaico, no se aplica parcialmente el detector. El modo fotoconductivo, el detector es parcialmente invertido.

31 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica31 DETECTORES IDP Circuito integrado con detector y trasimpedancia amplificada Reduce el ruido entre el diodo y la primer etapa del receptor Para reducir este ruido puede ser utilizado un IDP. Con especificaciones características para IDP´s son similares a PIN o APD´s. La salida de un IDP es voltaje, así la responsividad esta especificada en Volts/Watt (V/W). La responsividad típica para un IDP es 400 V/W. La transimpedancia amplificada (TIA) toma la corriente de salida del fotodiodo, multiplicándola por la ganancia de transimpedancia, A z, y sale una señal de voltaje.

32 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica32 Fotodiodo Avalancha (APD) Se generan pares electrón-hueco igual al PIN, pero no en relación uno- uno. Los transportes primarios, los electrones libres y los huecos se crean por fotones absorvidos, aceleran la ganancia de varios electrón Volts de energía cinética. Una colisión de estos transportes rápidos con átomos neutros causara que los transportes se aceleren usando algo de su propia energía para ayudar a las fronteras del electrón a romper su coraza de valencia. Los pares de electrón-hueco libres, llamados transportes secundarios, aparecerán. (Ionización de Colisiones). Los transportes secundarios mismos aceleran y crean nuevos transportes. Colectivamente, este proceso es conocido como foto multiplicación.

33 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica33 Comparación de Fotodiodos PIN Y APD’s

34 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica34 FIBRA ÓPTICA (COMPONENTES) Fibra: las fibras ópticas son hilos extremadamente delgados de vidrio ultrapuro, diseñado para transmitir señales de luz desde un transmisor a un receptor. consiste de tres regiones principales. El centro de la fibra que es el núcleo. La región que lleva la luz. Con rango de diámetro desde 9 hasta 100 mm en la mayoría de las fibras comunes utilizadas. Un área llamada el revestimiento (cladding) que rodea el núcleo. Esta parte confina la luz en el núcleo. El revestimiento tiene típicamente un diámetro de 125 mm o 140 mm. El área exterior la capa o buffer. Típicamente es de plástico, provee protección. Diámetros usuales para el buffer son 250 mm, 500 mm y 900 mm

35 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica35 Componentes De La Fibra Óptica

36 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica36 Emisores de Luz Convierten la señal eléctrica a una señal correspondiente de luz que puede ser inyectada dentro de la fibra. Deben tener una longitud de onda apropiada (780 nm, 850 nm, 1310 nm, 1550 nm o 1625 nm para fibras de vidrio). Tipos: Diodos Emisores de Luz (LED) y Diodos Láseres (LD) Caracteristicas: El centro de la longitud de onda El ancho espectral (frecuentemente llamada FWHM, Full with half Maximum) El poder de la salida óptica de la fuente de luz.

37 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica37 Emisores de Luz

38 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica38 Tipos de Emisores Láser Fabry-Perot (FP), retro alimentación –distribuida (DFB), Láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), LED´s Se especifican como diodos emisores de superficie o diodos emisores de borde. Estos emisores tienen la propiedad de actuar como detectores

39 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica39 Tipos de Emisores Los LED´s y los Diodos Láser son de interés para la fibra óptica por cinco características inherentes.  Pequeños  Alta Radiancia (por ejemplo, ellos emiten mucha luz en una pequeña área)  Area de emisión Pequeña (el área es comparable a las dimensiones de los núcleos de la fibra óptica)  Larga vida  Pueden ser modulados (encendido y apagado) a altas velocidades

40 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica40 Teoría De Operación Los diodos láser y los LED´s operan con los mismos principios básicos: El principio de la unión semiconductora p-n encontrada en transistores y diodos. Cuando un semiconductor tipo n y un tipo p se juntan, los electrones en exceso de la región n se mueven hacia la región p para llenar los huecos izquierdos por falta de electrones en el material tipo p. Los electrones paran el movimiento dentro del área tipo p cuando hay suficientes de ellos repeliendo el movimiento de mas electrones. Esta concentración de cargas crea un potencial que impide una corriente de flujo a través de la unión.

41 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica41 Banda de Huecos y sus long. De Onda

42 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica42 Caracteristicas De Ejecución De Los Emisores De Luz Longitud de Onda Cumbre: es en la cual la fuente emite la potencia mayor. Los picos mas comunes de longitudes de onda son 780 nm, 850 nm, 1310 nm, 1550 nm y 1625 nm. Ancho Espectral: la luz es emitida en un rango de longitudes de onda centradas alrededor de la longitud de onda pico. Diseño de Emisión: Idealmente, el tamaño de la región de emisión debe ser similar a l diámetro del núcleo de la fibra. Potencia: sea lo suficientemente fuerte para proveer suficiente potencia al detector en el receptor final. Velocidad: Una fuente debe encender y apagar rápido para encontrarse con los limites de ancho de banda de el sistema.

43 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica43 Características Espectrales LED emisor de Superficie 850 nm tiene un FWHM de 60 nm. FWHM mantiene la mitad del máximo completo. 1300 nm tiene un espectro mas amplio con una FWHM típica de 110 nm. 1550 nm es mas ancho. Con un espectro compacto con un FWHM de 50 nm.

44 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica44 Características Espectrales LED

45 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica45 Características Espectrales LASER Primero, un láser Fabry-Perot en 1300 nm es mostrado. Láser Neón -Helio (HeNe) el cual emite en una sola línea de 633 nm, minimiza el ruido modal cuando se utilizan fibras multimodo, que es causado por interferencia constructiva y destructiva de la luz.

46 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica46 Características Espectrales LASER

47 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica47 Diodos Emisores De Luz (LED) Los LED´s son hechos de varias capas de semiconductores tipo p y n. Una unión p-n genera los fotones y varias uniones p-p y n-n dirigen los fotones para crear una emisión de luz enfocada. Las uniones p-p y n-n dirigen la luz previendo barreras de energía y cambios en el índice de refracción.

48 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica48 Tipos de LED Hay dos tipos principales de LED´s Los Emisores de Superficie están hechos con capas de material semiconductor que emiten luz en un arco de 180 grados. Tienen una baja potencia de salida y son generalmente dispositivos mas lentos. Los Emisores de Borde son diseñados para confinar la luz a una trayectoria angosta dirigida fuera del lado del Emisor. Pueden proveer de altos niveles de potencia óptica y son mas rápidos que los emisores de superficie.

49 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica49 Diodos Láser Funcionamiento El chip de diodo láser emite luz en dos direcciones. La luz desde un extremo del chip láser es centrada dentro de la fibra suministrando una salida útil. La luz del otro extremo cae en una gran área del fotodiodo. Este fotodiodo es montado a alguna distancia del chip láser y esta a un ángulo determinado para reducir reflejos hacia atrás dentro de la cavidad láser. La mayoría de los diodos láser incorporan en una faceta posterior un foto diodo para proveer un monitoreo de tiempo real de la salida del láser.

50 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica50 Diodos Láser Reatroalimetación distribuida (DFB) Alto rendimiento Mas costoso Monocromáticos Bajo ruido Linealidad superior Tranquilos y Rápidos ancho espectral angosto Fabry-Perot (FP) Longitudes de onda discretas Burried Hetereo (BH) Well Multiquantum (MQW) menor umbral de corriente alta eficiencia de inclinación menor ruido mejor linealidad mayor estabilidad sobre la temperatura margen de ejecución mas grande suceptibles a reflejos (desventaja) funcionan como detectores

51 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica51 El ruido del láser Es expresado como ruido de intensidad relativa (RIN, Relative Intensity Noise) en unidades de dB/Hz. Valores típicos de RIN Fabry-Perot son: desde –125 hasta –130 dB/Hz DFB puede tener valores menores de RIN a –155 dB/Hz. Los láseres DFB de onda continua (CW Continuous Wave) tienen valores RIN por debajo de –170dB/Hz.

52 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica52 VCSEL´s Combina la alta potencia de salida óptica del láser con la economía del LED emisor de superficie. Emite su luz en un plano vertical Son dispositivos típicamente MQW. Los reflectores Bragg con capas de 120 espejos son usados para formar los reflectores láser. Por el pequeño tamaño y alta eficiencia de los espejos, el umbral de la corriente puede ser muy bajo. Exhiben inclinaciones de alta eficiencia. Son ideales para aplicaciones que requieran series de dispositivos.

53 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica53 Reflejos Perturban las oscilaciones de onda estacionaria en la cavidad del láser, y el efecto neto es un incremento en el ruido efectivo del láser. Ocasiona que ciertos láseres se vuelvan inestables y en algunas aplicaciones completamente inoperables. Pueden generar no linealidades en la respuesta del láser las cuales son a menudo descritas como deformaciones. Una estrategia para reducir los reflejos es colocar un aislador óptico en la salida del láser. Un tipo de aislador es el Rotador de Faraday, un dispositivo basado en el Efecto Faraday, este es usado para rotar el plano de polarización de una onda de luz.

54 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica54 Efectos De Temperatura Sobre Laseres Soportan rangos de temperatura de -40°C hasta 80°C La temperatura afecta: la emisión de los picos de longitud de onda el umbral de la corriente la eficiencia de inclinación del láser.

55 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica55 Enfriadores Peltier Utilizados para estabilizar la temperatura de los láseres Son reversibles Requieren +-1Ampa un máximo de 1 a 2 Volts. Cuando el enfriador Peltier se sobrecalienta y se destruye a sí mismo

56 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica56 Laseres de Alta Potencia y Onda Continua Potencia de salida: 100 mW (+ 20 dBm) en 1550 nm RIN bajo –170 dB/Hz Desventajas: Ancho espectral angosto 0.000001

57 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica57 Comparación de Led´s y Láser

58 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica58 Es cualquier componente o técnica que se utilice para conectar una fibra o componente de fibra óptica Tienen dos funciones, proveer uniones de luz y uniones mecánicas para interconectar sistemas de fibra óptica. Algunos dispositivos de interconexión usados son: Interfaces entre áreas locales de red y dispositivos Paneles Enlaces de comunicación portátiles militares Conexiones terminales-red Conexiones entre equipos de grabación, cámaras, y equipo de sonido en estudios portátiles. Dispositivos de Interconexión

59 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica59 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN F.O. La operación de la fibra óptica esta basada en el principio de la reflexión total interna. Las ecuaciones involucradas en este principio son:

60 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica60 Reflexión Total Interna El índice de refracción, caracteriza los diferentes medios a través del cual la luz viaja. Es el promedio de la velocidad de la luz en el vacío(c),a la velocidad en un medio específico n= c / v Una luz pasa de un medio a otro con un distinto índice de refracción, esto es, desviado o refractado. Ley de Snell determina el promedio de luz que es desviada esta dad por: n 1 sen    n 2 sen  

61 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica61 Angulo Crítico Si el ángulo de refracción se aproxima a 90°. El ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción de 90° es el ángulo critico. Incrementando el ángulo de incidencia pasando del ángulo critico resulta en la reflexión total interna. En la reflexión total interna el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Esta es la base para la operación de la fibra óptica. El ángulo critico es calculado como sigue:  0 =sen -1 (n 2 /n 1 ) Donde: n 1 =indice de refracción del núcleo n 2 =indice de refracción del revestimiento

62 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica62 Apertura Numérica describe la capacidad de luz recolectada de la fibra y el factor aceptado se da con: El núcleo de una fibra óptica tiene un alto índice de refracción mas que el revestimiento (n 1 >n 2 ), permitiendo así la reflexión total interna. Ahí hay un cono imaginario de aceptancia con un ángulo , determinado por el ángulo crítico.

63 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica63 Apertura Numérica Figura 3.5

64 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica64 Cono de Aceptancia

65 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica65 Índices De Refracción Y Propagación MEDIOINDICE REFRACTIVOTIEMPO DE PROPAGACIÓN Vacío1.0003.336ns/m Aire1.0033.346ns/m Agua1.3334.446ns/m Tubo de silica1.4584.863ns/m Cable Coaxial de Cobre (RG-59U)N/A5.051ns/m

66 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica66 Tiempo de Propagación El tiempo de propagación a través de una fibra es calculado como sigue: Donde: t= tiempo de propagación en segundos L= longitud de la fibra en metros n= índice de refracción del núcleo de la fibra (aproximadamente 1.47) c= velocidad de la luz (2.998 x 10 8 m/s)

67 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica67 Tipos de Fibra Fibra Multimodo Fibra Monomodo

68 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica68 Fibra Óptica Multimodo El término multimodo se refiere simplemente a numerosos rayos de luz (modos) que son llevados simultáneamente a través de la guía de onda. Fue el primer tipo de fibra fabricada y comercializada Los modos resultan del hecho que la luz solamente se propagará en el núcleo de la fibra en ángulos discretos dentro del cono de aceptancia. La fibra multimodo tiene un diámetro de núcleo mucho más grande comparado con la fibra monomodo, permitiendo un gran numero de modos. Esta fibra es mas fácil de acoplar que una monomodo, además puede ser categorizada como una fibra de índice escalonado o graduado.

69 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica69 Fibra Óptica Multimodo

70 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica70 Multimodo Índice Escalonado El índice de refacción del núcleo es mas alto que el revestimiento. La luz entrará a un ángulo menor al crítico y es guiado a través d la fibra. Tres diferentes rayos de luz son dibujados viajando a través de la fibra. Un modo viaja directamente en el centro del núcleo. Un segundo modo viaja a un ángulo escalonado y rebota hacia atrás y adelante por la reflexión total interna, el tercer modo excede el ángulo crítico y es refractado en el revestimiento y se pierde escapándose en el aire. Intuitivamente puede verse que el segundo modo viaja a un a distancia mayor que el primer modo, ocasionando que los dos modos lleguen en tiempos separados. Esta disparidad entre los tiempos de llegada de los diferentes rayos de luz es conocida como dispersión, y el resultado es una señal turbia en el extremo receptor. La alta dispersión es una característica de las fibras multimodo índice escalonado.

71 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica71 Fibra Multimodo Índice Graduado Índice gradual se refiere al hecho de que el índice refractivo del núcleo gradualmente se decrementa conforme se aleja del núcleo. El incremento de la refracción en el centro del núcleo baja la velocidad de algunos rayos de luz, permitiendo a todos los rayos alcanzar el extremo receptor aproximadamente al mismo tiempo, reduciendo la dispersión.

72 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica72 Fibra Óptica Monomodo Las fibras monomodo son mejores ya que conservan la fidelidad de los pulsos de luz sobre grandes distancias. No muestran dispersión causadas por múltiples modos. Así mas información puede ser transmitida por unidad de tiempo. Esto nos da una fibra monomodo con un ancho de banda mas alto comparado a la multimodo. Esta caracterizada por ser una fibra de índice escalonado Las fibras monomodo tienen mas baja atenuación que la fibra multimodo.

73 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica73 Fibra Óptica Monomodo DESVENTAJAS La fibra monomodo tiene desventajas. El diámetro del núcleo es pequeño y hace difícil el acoplamiento de la luz.

74 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica74 DISEÑOS DE FIBRAS MONOMODO Al principio las fibras monomodo se desarrollaron a inicio de los 80’s con las fibras cambio - no dispersión (NDSF). La segunda ventana en la fibra óptica optimizaba la ejecución de la fibra en la ventana de los 1,310 nm, la dispersión de la fibra se diseño muy cerca de la longitud de onda cero. Desde que la región de los 1550 nm, la tercer ventana, aparecieron muchas ventajas comparadas con la ventana de los 1310 nm, los fabricantes respondieron con el diseño de una nueva fibra la fibra Cambio -dispersión (DSF), que movía la dispersión al punto cero de la región de los 1550 nm Hay una desagradable sorpresa esperando a aquellos que instalaron DSF hace varios años y ahora para convertir sus sistemas a capacidades de multiplexión por división de longitud de onda. DSF simplemente no puede ser utilizada para DWDM. NDSF trabajara tranquilamente con aplicaciones DWDM. uno solo tiene que manejar la dispersión introducida por esta fibra.

75 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica75 DISEÑOS DE FIBRAS Los fabricantes de fibra responden con nuevos diseños de fibra para dirigir las necesidades del mercado para el imponente DWDM. La mayoría son clasificadas como fibras cambio- dispersión- no cero (NZ-DSF). La ultima generación de fibras ópticas se han centrado principalmente en tres parámetros de ejecución:.Incrementar la área efectiva de la fibra óptica..Cambiar el punto de Cero - dispersión cerca de la ventana de los 1550 nm, pero garantizando que esto cae fuera de la ventana de los 1550 nm..Reducir los picos de absorción remanentes en la fibra tal que la segunda y tercer ventana efectivamente se unan para formar una gran ventana, la ventana “2-3” y permitir que una cuarta ventana desde 1565 nm hasta 1625 nm sea utilizada.

76 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica76 DISEÑOS DE FIBRAS Una nueva fibra llamada LEAF (fibra de gran área efectiva). Esta tiene una gran capacidad para minimizar algunos tipos de no linearidades y tiene una longitud de onda Cero -dispersión cambiada a los 1570 nm para minimizar otros efectos no lineales asociados con DWDM.

77 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica77 Fibra Óptica Monomodo Los cuatro tipos de fibra monomodo que han sido desarrollados hasta la fecha son: NO-DSF(NDSF): El tipo mas viejo de fibra monomodo es el tipo cambio - no dispersión discutido al inicio, esta diseñado para tener una cero dispersión en un punto cercano a 1310nm. DSF: el tipo de fibra dispersión – cambiada. Se vio que es una fibra ideal desde hace pocos años por que tiene baja atenuación y dispersión en la ventana de los 1550nm. (+D)NZ-DSF: Este es uno de los mas nuevos tipos de fibra. Es similar al tipo DSF excepto que la longuitud de ondas cero dispersión es puesta intencionalmente fuera de la ventana de los 1550nm. La fibra tiene dispersión positiva inclinada contra la longitud de onda. (-D)NZ-DSF: Esta fibra es idéntica al tipo (+D) NZ-DSF, excepto que la inclinación de la dispersión es negativa contra la longitud de onda.

78 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica78 FIBRA DE POLARIZACIÓN MANTENIDA Una variedad importante adicional de fibras monomodo es la fibra de polarización mantenida (PM). La fibra PM propaga solamente una polarización de la luz de entrada. Es importante para los componentes tales como los moduladores externos que se requiera una luz polarizada de entrada.

79 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica79 FIBRA DE POLARIZACIÓN MANTENIDA Cont.. Esta fibra contiene una característica dentro del núcleo, hay 2 círculos adicionales llamadas barras de esfuerzo. Estas barras crean esfuerzos en el núcleo de la fibra tal que la transmisión de solo un plano polarizado de luz es favorecido. Cuando la fibra PM es conectada, es importante que las barras de esfuerzo estén alineadas con el conector usualmente en línea con la clave del conector. Las fibras PM también requieren un gran trato cuidadoso cuando son empalmadas. No solamente se tienen que alinear X,Y y Z para que estén perfectos cuando la fibra se funda para juntarla, la alineación rotacional debe también estar perfectamente tal que las barras de esfuerzo se alinien exactamente.

80 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica80 ATENUACION Es una relación logarítmica entre la potencia de salida óptica y la potencia de entrada óptica en un sistema de fibra óptica. Es una medida de la decadencia de la fuerza de la señal o perdida de la potencia del uso, que ocurre como los puntos de luz se propagan a través de las longitudes de la fibra. La decadencia a lo largo de la fibra es exponencial y puede ser expresado como: P(L): potencia óptica a la distancia L de la entrada. Po= potencia óptica a la entrada de la fibra  ´= atenuación del coeficiente de la fibra (1/km). Usando  =0.4343  ’, desde la conversión de base e a base 10  = perdida de la fibra, (db/km)

81 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica81 ATENUACION factores intrínsecos Puede deberse a: factores intrínsecos y extrínsecos. Dos factores intrínsecos son: la dispersión y la absorción. Dispersión La forma mas común de dispersar, es la dispersión Rayleigh que es ocasionada por no- uniformidades microscópicas en la fibra óptica. Estas deformidades causan rayos de luz que serán parcialmente dispersados durante el viaje en la fibra; así, algunos rayos de energía se pierden.

82 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica82 ATENUACION Cont.. factores intrínsecos. Absorción Causas: la estructura molecular del material, impurezas en la fibra tales como iones metálicos Las impurezas absorben energía óptica y la disipan como una pequeña cantidad de calor. Así como la energía se disipa, la luz va haciéndose difusa. En las longitudes de onda 1.25 y 1.39  m, ocurre perdida óptica por la presencia de los iones OH en la fibra. Sobre una longitud de onda de 1.7 mm, el vidrio empieza a absorber la energía de la luz debido a la resonancia molecular de el.

83 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica83 ATENUACION Cont.. factores extrínsecos. Los factores extrínsecos incluyen: -Los esfuerzos de la fabricación del cable. -Efectos del medio ambiente y -Dobleces físicos en la fibra. Los dobleces se caracterizan en dos categorías: micro curvaturas y macro curvaturas.

84 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica84 ATENUACION Cont.. factores extrínsecos. Microcurvaturas Es el resultado de imperfecciones microscópicas en la geometría de la fibra. Estas imperfecciones pueden ser rotacionales asimétricamente, el diámetro del núcleo cambiado, limites ásperos entre el núcleo y el revestimiento, un resultado del proceso de fabricación mismo, o esfuerzo mecánico, presión, tensión o torsión,

85 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica85 ATENUACION Cont.. factores extrínsecos. Macrocurvaturas Describen las curvaturas en el orden de los centímetros. La perdida de la potencia óptica es el resultado de reflexiones menores en la frontera del núcleo revestimiento. Perdidas por curvaturas usualmente no son notificables si en radio de la curvatura es mayor que 10 cm

86 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica86 ATENUACION Cont.. El promedio de atenuación causada por una fibra óptica esta primeramente determinada por el largo y por la longitud de onda de la luz que viaja a través de la fibra. A lo largo de las longitudes de onda, las absorciones son dominantes como las moléculas en el vidrio empiezan a resonar. En medio, la absorción por impurezas es importante.

87 10/28/2016 10:14 PM Capítulo 2. Fundamentos de la Fibra Optica87 Dispersión La dispersión es un termino técnico para la extensión de los pulsos de luz que viajen a través de la fibra óptica. La dispersión limita el ancho de banda en la fibra óptica, reduciendo el promedio de información que transporta la fibra óptica. Los tipos mas importantes de dispersión son: dispersión multimodo, dispersión cromática el cual incluye dispersión de material, dispersión de guía de onda, y dispersión de perfil, dispersión modo polarizado. (PMD)