Cfi 2013

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Comunicaciones en Fibra ptica

Nils Garca

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

Sistema Elemental de comunicacin

Diagrama de Shannon.swf

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

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CFI Introduccin.

Espectro electromagntico

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CFI Naturaleza de la Luz

ndices de refraccin

Aire 1

Vidrio 1.523

Diamante 2.419

Agua 1.333

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Ley de Snell

Reflexin y Refraccin

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Reflexin Interna total

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Apertura numrica

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Apertura numrica y ngulo crtico

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Atenuacin como funcin de la distancia

La apertura numrica del ncleo, es el rango de ngulos de los

rayos de luz incidente que ingresan a la fibra y que son

reflejados en su totalidad.

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Dispersin en funcin de la distancia

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Presupuesto de flujo y prdidas

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Interaccin de dos haces luminosos

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LA LUZ COMO ONDA

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CFI Fuentes emisoras de Luz

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Performance Lumenes/Watts

La luz puede ser producida de varias

formas.

Los LED (Light Emitting Diodes)

producen luz en base a un proceso

llamado electroluminescencia. Bajo

ciertas condiciones el LED produce luz

coherente como lo hace un LASER

El ahorro energtico es notable, p.e.

Los LED pueden llegar a 100,000 h,

muy superior a las 1000 h de los

incandescentes

Adapted from Craford, Holonyak & Kish, "In Pursuit

of the Ultimate Lamp", Scientific American 284, Feb

2001, p63.

Fuentes emisoras de Luz

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Estructura de un LED

Un LED se compone de tres capas de semiconductor sobre un sustrato.

Entre las capas tipo-P y tipo-N, hay una regin activa que emite luz

cuando los electrones y los huecos se recombinan. Considerando la

combinacin P-N de un diodo, el diodo hace un reenvio-parcial, huecos

desde el material P y electrones desde el material N, ambos son dirigidos

a la regin activa que es donde se produce la luz por un fenmeno de

estado slido llamado "Electroluminescencia".


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Caracterstica de un LED

Cuando el LED hace el reenvo parcial, en el umbral de

conduccin, su corriente se incrementa rpidamente y

sta debe ser controlada para prevenir la destruccin

del dispositivo. la luz de salida es completamente lineal

y proporcional a la corriente dentro de la regin activa,

de esta manera la luz de salida puede ser modulada de

forma precisa y enviada sin distorcin a travs de un

cable de fibra ptica.

Un LED es una fuente de luz

direccional, con un maximo de

potencia emitida en la direccion

perpendicular a la superficie de

emisin. en la grfica se muestra una

deflexin de 20, la cual puede ser

dispersada utilizando lentes plasticos

lo que da un mayor ngulo de

visibilidad


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Electroluminescencia en LED

Cuando se aplica un voltaje en el diodo de un manejador de LED, los

electrones y huecos dentro de la region activa, la energia puede convertir los

fotones dentro de la region infraroja o visible.

P.e. el extremo visible del espectro electromagntico es de 700nm, y requiere

liberar 1.77eV para proporcionar el cuanto de energa al fotn. En el otro

extremo 400nm en el violeta se requiere 3.1eV.

58 15

Espectro

electromagntico

61 LED : Light Emitting Diode / diodo de emisin de luz

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation / Luz amplificada por la emisin estimulada de radiacin

63

Type Peak

Power

Wavelengt

h Application

GaAs 5 mW 840 nm CD Players AlGaAs 50 mW 760 nm Laser printers GaInAs

P 20 mW 1300 nm

Fiber

communications

LASER semiconductor

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Un diodo lser produce luz coherente lo que significa que todas las ondas

luminosas estn en fase entre s. La idea bsica de un diodo lser consiste en

usar una cmara resonante con espejos que refuerza la emisin de ondas

luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo

lser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

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Distintas Estructuras de los

Diodos Lser

Hoy en da una estructura habitual

es una tira estrecha de la capa

activa ( Stripe Geometry - Geometra

en tiras ), confinada por todos los

lados ( tanto por los lados como por

arriba y abajo ) con otro material .

Esta familia de lseres se denomina

Index Guided Lasers - Lseres

orientados al ndice

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Montura de un lser de diodo comercial

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Seguridad

Longitudes de onda en el espacio mayores a los 1400 nm, no logran penetrar

la retina del ojo humano, cumpliendo con las normas internacionales de

seguridad "Eye-Safe Class 1M"

De esta forma es posible transmitir con niveles de potencia hasta de 50

veces ms alto !! que los sistemas que operan en las longitudes de onda

menores a los 1400 nm, permitiendo as contar con un mejor desempeo; o

mejor servicio. Equipos landa mayor a 1400nm cuentan con una potencia de

salida de 640 mW a diferencia de un equipo con landa menor a 1400nm. P.e.

los de 800 nm transmiten entre 10 y 20 mW.

Gracias a esto es posible penetrar niveles de neblina ms densos y por lo

tanto lograr un alto nivel en la disponibilidad del enlace

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Aplicaciones FSO (Free Space Optics)

Empresas ISP

Anillos de Redes Redes de celulares

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Partes principales:

Ncleo (Core): La parte interna que conduce la luz.

Revestimiento (Cladding): la capa media que sirve para confinar la

luz en el centro.

Buffer Recubrimiento: la capa exterior que sirve como un

"amortiguador" para proteger al ncleo y al cladding de algn dao.

Fibra ptica

Es una guia de onda dielctrica cilndrica, para la

transmisin de la luz.

El material tpico es SiO2

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Dos tipos bsicos de Fibra ptica

Multimodo y Monomodo

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Debido a que siempre existe dispersin modal, es necesario ajustarla

utilizando ndices de refraccin segn la aplicacin y el tipo de FO.

Este mecanismo ayuda a igualar los tiempos de propagacin de los

distintos rayos guiados

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Estndar de fibra ptica

Los esfuerzos de estandarizacin iniciados en la dcada de los aos 70 dieron

sus frutos en las recomendaciones ITU-T (antes CCITT).

En un principio (perodo 1977-1980) la G.651 normaliz las fibras pticas

multimodo de 50/125m;

Luego (perodo 1981-1984) la G.652 normaliz la fibra ptica monomodo y la

G.956 los sistemas de lnea.

Las FO monomodo para tercera ventana se encuentran normalizadas en

G.653/654/655.

122

Estndar de fibra ptica

Las caractersticas se miden de acuerdo con normas del IEC 793, entre ellas se

encuentran:

- La dispersin cromtica, - La longitud de onda de corte,

- El dimetro del campo modal, - Las dimensiones geomtricas,

- El campo lejano y - Las caractersticas mecnicas.

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Tipos de Fibras Opticas en el mercado internacional

FO Plstica Trabajan a longitud de onda visible (650 nm). Se

utilizan en aplicaciones de automotores, audio, MIDI, etc. Se

dispone de los siguientes tipos dimensionales y atenuaciones:

485/500 m con 240 dB/km; 735/750 m con 230 dB/km y

980/1000 m con 220 dB/km

FO Plstica

El ncleo es de silicio y las dimensiones son 200/300 m.

La atenuacin es de 10 dB/km a 850 nm.

PCS

(Plastic Clad Silica)

Es una FO multimodo MM (MultiMode) con perfil de ndice

de refraccin gradual (Graded Index). Este tipo de FO es

una normalizacin norteamericana ANSI. Es usada en

redes de datos de alta velocidad del tipo FDDI, para

conexiones dplex en anillos. Se suele conectorizar

mediante terminales ST, SC o FDDI.

FO 62,5/125 m

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Esta FO multimodo MM con perfl de ndice parablico es

normalizada por ITU-T G.651. Usadas en la actualidad en redes de

datos de corta longitud (hasta 2 km). Fue la nica FO disponible

hasta inicios de los aos 80. Se usaba en 850 o 1300 nm.

FO 50/125 m

Es del tipo monomodo SM (SingleMode) normalizada en ITU-T

G.652. Se trata de la FO ms popular en redes de

telecomunicaciones actuales. Es factible de usarse en 1300 y 1550

nm. Debido a la dispersin cromtica esta FO est optimizada para

el cero de dispersin en 1300 nm.

FO STD

Esta FO monomodo de dispersin desplazada DS (Dispersion

Shift) se encuentra en ITU-T G.653. Permite gran ancho de banda

en redes de larga distancia trabajando en tercera ventana. Esta

FO, de acuerdo con la F1-06 tiene el cero de dispersin cromtica

en 1540 nm. La dispersin tiene un valor de 2 a +2 ps/km.nm; la FO STD lo tiene entre +16 a +18 ps/km.nm.

FO DS

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Es del tipo monomodo con mnima atenuacin. Es normalizada en

ITU-T G.654. Se aplica para enlaces de muy larga distancia en

1550 nm. Es de aplicacin limitada debido a la reducida

performance en cuanto a la dispersin cromtica. Normalmente no

es aplicable para sistemas STM-16 a 2,5 Gb/s.

FO Minimum

Loss

NZ-DS (Non Zero-Dispersion Shift) determinada en ITU-T G.655. Es

normalizada en 1994 para 1550 nm. Mejora a la G.653 para

aplicaciones de multiplexacin por divisin de longitud de onda

WDM. La mejora en la intermodulacin pasa de ser 25 dB para la

G.653 a ms de 50 dB en la G.655. La intermodulacin es producida

por alinealidades de la FO en altas potencias (por ejemplo en

amplificadores EDFA) cuando se inyectan varias longitudes de

ondas de tipo WDM. El perfil del ndice de refraccin de una FO NZ-

DS se muestra en la F1-06 . El cero de dispersin cromtica se

encuentra en 1525 nm para las FO producidas por Lucent y en 1560

nm para las producidas por Corning. La dispersin se encuentra

entre 2,6 y 6 ps/km.nm entre 1530 y 1560 nm.

FO NZ-DS

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FO PDC (Passive Dispersion Compensator) Permiten la compensacin

de la dispersin cromtica G.652. Posee un ncleo muy estrecho (2

m) y un salto de ndice de refraccin muy alto. La atenuacin se

incrementa, por lo que se realiza una reduccin paulatina entre el

ncleo de la FO normal y la de compensacin de dispersin. Se utilizan

algunos metros de FO de compensacin por varios km de FO standard

G.652. La dispersin negativa es del orden de 100 ps/km.nm a 1550 nm. Por ejemplo, en el mercado se encuentran mdulos de

compensacin para 40 y 80 km de FO. El retardo disminuye con la

longitud de onda (1700 ps a 1556 nm y 1000 ps a 1557 nm). El centro

de la banda 1556-1557 puede correrse para otras longitud de ondas

necesarias.

FO PDC

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Tipos de Fibras pticas en el mercado internacional

La FO utilizada en amplificadores pticos EDFA consisten en un

tramo de una decena de metros de FO dopada con Tierras Raras.

En 1984 se adopt el ion trivalente de Erbio Er 3+ para realizar

estas FO activas. El Erbio en la FO tiene la propiedad de absorber

energa a una longitud de onda y emitir energa en forma de

emisin estimulada coherente con la seal de entrada

(normalmente a 1550 nm).

FO Erbio

Doped

FO PM (Polarization Maintaining) Este tipo de FO-SM permite

transmitir una luz polarizada con una relacin de 30 dB entre los

ejes ortogonales. Se logra mediante un ncleo no simtrico en

ambos ejes (un cladding interno oval o dos ncleos adicionales

sobre un mismo eje). Se utiliza en ptica integrada, girscopos

pticos, sensores y sistemas coherentes. Una FO puede actuar

como polarizador debido a que cada eje tiene una longitud de onda

de corte distinta; de forma tal que entre ambas longitudes de onda

una polaridad se atena y la otra no. Este efecto se encuentra en un

rango de 30 a 40 nm y permite formar polarizadores.

FO PM

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Caractersticas principales de fibras pticas normalizadas

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Existen dos formas de reducir la dispersin modal

para incrementar el ancho de banda disponibles de

la fibra ptica:

Produciendo una variacin gradual del perfil del

ndice de refraccin y Permitiendo la propagacin

de un solo modo.

De esta forma, se logra clasificar las fibras pticas:

-Segn el perfil del ndice de refraccin: abruptas (o

salto de ndice) y graduales

-Segn el nmero de modos de propagacin:

multimodo (ms de un modo) y monomodo.

Caractersticas de fibras pticas

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Se analiza inicialmente la solucin que recurre a la variacin gradual del

ndice de refraccin. Se obtiene la siguiente cadena de acontecimientos:

- La dispersin modal se produce porque los distintos modos de

propagacin recorren distintos caminos en distinto tiempo.

- La velocidad de propagacin del modo en el medio dielctrico es c/n (c la

velocidad de la luz en el vaco 3x108 m/s).

- De esta forma los rayos que recorren mayor camino lo hacen por la

periferia del ncleo.

- Lo hacen all donde el ndice de refraccin es menor que en el centro y

donde la velocidad tambin es mayor.

- Luego: la mayor longitud de recorrido se compensa con la mayor

velocidad de propagacin:

PERFIL DE NDICE DE REFRACCIN

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Se demuestra que el mnimo de dispersin se logra cuando el perfil

del ndice responde a la ley:


ar

rANnrn 2)0()(

2)(

1)0(

nrn

nn

a

AN = apertura numrica

ra = radio del ncleo

= constante que depende del material y la longitud de

onda de transmisin. El valor ptimo de esta cercano a 2

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Se observa que un fibra ptica del tipo multimodo con perfil de ndice

de refraccin gradual parablico ( cercano a 2) es optimizada para

trabajar en una longitud de onda.

El anlisis de las fibras pticas mediante la propagacin de ondas lleva

a la siguiente conclusin:

El nmero de modos de propagacin N dentro del ncleo es finito y

puede aproximarse por:


)2(2

2

VN /2 ANrV a

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De forma que el nmero de modos de propagacin depende del perfil

del ndice, del radio del ncleo ra, de la longitud de onda . y de la AN.

El nmero V se denomina frecuencia normalizada.


);( 2

2VN

;2( 4

2VN

- ndice abrupto

- ndice gradual

Esta aproximacin es vlida cuando N es mayor a la unidad.

Suponiendo el caso de las fibras pticas normalizadas por G.651

se tiene con ra= 25 m y AN= 0,2: El nmero de modos de propagacin disminuye con el incremento de la

longitud de onda y crece con el aumento

del radio.

El uso de un perfil parablico (=2) ha

disminuido a la mitad el nmero de

modos de propagacin y con ello la

dispersin modal.

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LONGITUD DE ONDA DE CORTE

Otra solucin para disminuir la dispersin modal es la reduccin del

nmero de modos a la unidad (N=1), obteniendo la denominada fibra

ptica monomodo.

A partir de 1985 solo las fibras monomodo se usan en

telecomunicaciones; las multimodo se reservan para redes de datos de

corta longitud. Intuitivamente la dispersin modal es nula, lo cual

llevara a un ancho de banda infinito, algo imposible. Antes de aclarar

este punto se analiza como se obtiene la propagacin de un solo modo.

El nmero de modos de propagacin se reduce a uno (N=1) cuando:

21

21405,2

V

El valor de a partir de la cual la fibra ptica se comporta

como monomodo se denomina longitud de onda de corte

( cutoff) y el ITU-T la define como aquella a donde la relacin entre la potencia total y potencia del modo

fundamental LP11 es de 0,1 dB. La fibra ptica monomodo

se calcula para una longitud de onda de corte (longitud de

onda para la cual V= 2,405; es decir el modo de segundo

orden deja de propagarse) entre 1,18 a 1,27 m. Esto

resulta en un dimetro del ncleo cercano a 9 m.

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(longitud de onda para la cual V= 2,405; es decir el modo de segundo orden

deja de propagarse) entre 1,18 a 1,27 m. Esto resulta en un dimetro del

ncleo cercano a 9 m.

Documents

Cfi 2013