INTRODUCCIÓN A LASCOMUNICACIONES ÓPTICAS

Santiago Aguilera Navarroaguilera@tfo.upm.es

Departamento de Tecnología Fotónica

E.T.S.I.Telecomunicación-UPM

Telegrafía: Terminales enlugares públicos, el usuariodebía desplazarse paracomunicarse. Poco tráfico

Telefonía: el terminal está encasa del usuario, es de preverun amplio despliegue determinales.

COMIENZOS DE LA TELEFONÍA: Pocos terminales,conectados a una central de conmutación manual.

CentralmanualCentralmanual

Pequeña centralprivada

Aspecto de una sala de operadoras en 1886

LLEGA LA CONMUTACIÓN AUTOMÁTICA:

Aumento del número de terminales, centrales distribuidas porzonas, comunicaciones de gran capacidad entre centrales,

ciudades, países, continentes.

Centralautomática

Centralautomática Central

automática

Centralautomática

Enlace deAlta capacidad

Además cada vez los servicios necesitantransmitir mayor cantidad de información:telégrafo, teléfono, televisión blanco/negro,color, alta definición....

Solución: Multiplexación en el tiempo y en lafrecuencia.

Alec Harley Reeves(1902-1971) IngenieroInglés, inventor de lamodulación PCM paracomunicacionesdigitales, dijo en 1969:En la región queincluye el espectrovisible y el infrarrojopróximo, tenemos 900millones de MHz deancho de banda,esperando para serutilizados.

Atenuación en función de la frecuencia decable de pares coaxial y fibra óptica

EJEMPLO DE COMUNICACIÓN POR FIBRA ÓPTICA:

Potencia del emisor (láser): 1mW (0dbm)Potencia en el detector para garantizar una baja tasa de error 0.3nW/(Mbit/seg)Trabajando a 1Gbit/seg. Potencia en el receptor 300nW (-35dbm).Margen de seguridad de 5db.: potencia en el receptor de–30dbm.Puedo tener unas pérdidas en la fibra de 30db, a razón de 0.3db/Km, 100km.Factor de mérito: 100 GbitsxKm/seg.

EJEMPLO DE COMUNICACIÓN POR CABLE COAXIAL:

Potencia del emisor a 100Mbit/seg.: 1W (+30dbm)Potencia en el detector para garantizar una baja tasa de error: 30pW (-75dbm)Margen de seguridad de 5dbPérdidas que podemos permitir en el cable: 30+75-5= 100db.Atenuación del cable: 20db/km, distancia 5Km.Factor de mérito: 0.5GbitsxKm/seg.

A principios de los 60´s se piensa que entre emisor y receptor sepuede tener un margen de 40db, y las comunicaciones ópticas seríanútiles si las fibras tuvieran una atenuación de 20db/km, esosupondría poner repetidores cada 2 Kms.

Las fibras de ese momento tenían atenuaciones de 1db/m.,1000db/Km. (ojo, que estamos en logaritmos).

En Noviembre de 1965 Charles K. Kao y G. Hockham de StandardTelecomunication Laboratories (Inglaterra), tras un estudio teóricollegan a la conclusión de que se pueden alcanzar pérdidas de 20db/km.Utilizando cristal suficientemente puro para su construcción.

En Septiembre de 1970 Robert Maurer y sus colaboradores de laCorning Glass (Estado de New York) consiguen fibras de 17db/km.

•Teoría de rayos: óptica geométrica. Refracción, Reflexión.

•La luz se propaga en forma ondulatoria. Difracción, Interferencia.

•Teoría electromágnética. Las dos anteriores para estudios cualitativos.Esta para cuantitativos.

•Teoría cuántica: Sirve para estudiar la interacción con la materia.Energía de las partículas (fotones) hν(νfrecuencia en óptica).A cualquier otras frecuencias, también hay partículas, pero según baja,su energía es menor (despreciable).

Diferentes aproximaciones paraacometer el estudio de la luz:

Ecuación de una onda: Ex= Eo cos(ωt-kz)

K=vector de onda (pulsación espacial) λ= periodo espacial.

K=2π/λ, ω= 2πν

Velocidad de fases (c, velocidad de la luz): Velocidad a la que sedesplaza, en el eje z, un punto de fase constante:

ωt-kz=cte. Z=(ωt-cte.)/k c=dz/dt=ω/k=2πνλ/2π

Relación importante: c=νλ

En cualquier medio permanece constante la ν.c y λson las del vacío divididas por el índice de refraccióndel medio (n).

Valores:

Velocidad de la luz en el vacío c=3x108 m/seg.

Constante de Planck h= 6.625x 10-34 Juliosxseg.

Carga del electrón: q=1.6x10-19 Coulombios.

1Julio=CoulombioxVoltio=eV/ 1.6x10-19

eV= 1.6x10-19 Julios

Sistema básico de comunicaciones ópticas:

INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA

N

E2

E1

DIODO LED (emisión espontánea)

e

e e

ee

Diodo Láser (LD)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

e

e e

ee

20GHz. Modulación interna40GHz. Modulación externa

500MHz.Máxima frecuenciaconmutación

1 a 250 a 150Anchura espectral(nm)

0-10Potencia Típica(dbm)

EstimuladaEspontáneaTipo emisión

LDLEDParámetro

Curva corriente-potencia óptica de un láser para distintastemperaturas.

Fibra:

Ley de Snell: n1senθ1= n2senθ2

Si n1 >n2 hay un θ1c para el que n1senθ1c= n2senπ/2

senθ1c= n2/n1

EVOLUCIÓN DE LAS FIBRAS CON EL TIEMPO.

DISPERSIÓN:

Los pulsos de luz se van ensanchandosegún viajan por la fibra. Dos razones:

Dispersión intermodal: Los distintosmodos recorren distintas longitudes,Y por lo tanto tardan tiempos distintosEn llegar al receptor.

Dispersión intramodal:“n”dependeDe“λ”, y por lo tanto cada“λ”viajaa una velocidad distinta (material).Parte de la luz va por el núcleo y partepor la cubierta (guiaonda).

Índice de dispersión defibras “estandar”.

Índice de dispersión de fibras“especiales”:Desplazado y aplanado.

Tipos de fibras: Índice abrupto (mono y multimodo)Índice gradual: solo multimodo.

øNúcleo: 50÷200 µmøCubierta: 120÷400 µm

øNúcleo: 8÷12 µmøCubierta: 125 µm

øNúcleo: 50÷100 µmøCubierta: 125÷140 µm

Detalle de guiado de la luz, en una fibra de índice gradual.

Fotodetector:

P I N

e

ee

e

Curva corriente-tensión de un fotodetector para distintaspotencias ópticas.