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PRH
Elementos Ópticos
1. Elementos de conexión:– Conectores– Empalmes
2. Elementos de derivación (Acoplador)3. Aislador, Circulador, Atenuador4. Componentes selectivos en λ
– Filtro– Multiplexor y demultiplexor de longitud
de onda
PRH
Conectores
Índice:• Parámetros Característicos• Tipos• Contactos
2
PRH
Conectores de fibra ópticaDefinición: Componente que normalmente se asocia a un cable o equipo ópticos para proporcionar conexiones/desconexiones ópticas frecuentes entre fibras o cables ópticos (6.01/CEI 61931-1).
Parámetro Definición Mínimo Típico Máx. Unidad
Pérdidas de insercción IL = -10 log (Pout /Pin) 0,5 dB
Reflectancia R = 10 log (PR/ Pin) - 40 - 35 dB
Pérdidas dependientes de la Polarización, PDL
Máxima variación de IL debida a un cambio en el SOP.
0,1 dB
Temperatura de operación -20 60 ºC
Repetibilidad
Condición de prueba: Después de 500 usos + 0,2
Pin Pout
PR
PRH
Tipos de Conectores
• Gran variedad de marcas comerciales:– FC (NTT, pérdidas de retorno bajas)– SC– E-2000 (Pérdidas de retorno muy bajas)– DIN– HMS-10 (Tipo SMA eléctrico)– ST (ATT, tipo BNC)– SMA (Fibra multimodo y corta distancia)– Bicónico (Bell, aplicaciones telefónicas)
3
PRH
Tipos de Contactos
• Plano
• PC y SPC
• APC
Objetivo: Mejorar las características de Reflectancia del Conector
PRH
Conector SC-APC
Para fibras de 9/125, 50/125 y 62.5/125 µm
SM y MM: Perdida de inserción(50%) <0.2 dB(98%) <0.5 dB
Perdida de retorno(50%) >49dB(98%) >45 dBVersión de alta pérdida en retorno (HRL):>85 dB
4
PRH
Acoplo entre Fibras
• Acoplo entre fibras desnudas– Tipo de acoplo:
• Directo• Haz expandido
– Duración en el tiempo:• Provisional → Empalme mecánico (Surco en V)
• Permanente → Empalme por fusión
• Acoplo entre conectores– Adaptadores
PRH
Tipo de acoplo
Contacto directo entre fibras
Colimación del haz
Lentes GRIN
5
PRH
Acoplo Provisional
⇒ Conector elastomérico GTE
• Bajas pérdidas de inserción en primeros usos
• Repetibilidad muy baja
• Uso de líquido adaptador de índices
⇒ Empalme mecánicos Surco-V
• Mejor repetibilidad
•Posibilidad de permanente mediante resinas expuestas al UV
Fibras
PRH
Acoplo Permanente
• Empalme por fusión – Arco voltaico– Máquinas:
• Manual• Semiautomática• Automática• Multi-empalme
6
PRH
Proceso de Fusión
• Pelado– Eliminar toda protección
• Corte de la fibra– Corte limpio y transversal
• Prefusión (evita burbujas y elimina impurezas)
• Alineamiento (entre fibras en el camino del arco)
• Fusión (secuencial)
• Protección (elementos termorrectráctiles)
PRH
Causas de pérdidas
• Intrínsecas– Desadaptación de núcleos– Desadaptación de AN– Excentricidad de núcleo– Desadaptación de índice
• Extrínsecas
– Desalineamientos(Longitudinal, Axial y Angular)
– Fresnel– Rugosidades
7
PRH
Pérdidas Extrínsecas
( )( )2
2
2/2/
αtgSDD
PP
in
out
+=
( )( )
DL
PP
in
out
=Γ
Γ−Γ−Γ=2/121arccos2
π
sen sen
) - (1 = pm
m
αφαφ coscos
( )
sen -
= q2
m2 2
3m
3
αφ
φ
cos
cosαφφ
ααφ sen sen
sen - ) - (1 = tmm
2m
2
coscoscos
nAN = sen
1mφ
( ) ( )
( ) ( )
++−+
+
−−−=
21111
11121cos
2/12/1
2/12
tarcsenttq
parcsenppPP
in
out
ππ
ππθ
PRH
Reflexión de Fresnel
• Pérdidas producidas por la luz reflejada en el cambio de medio ⇒ Solución: uso de líquido adaptador de índices.
n1
n0n1
Pin Pout
PR
( )rPérdidasPP
nnnnr
in
R
−−=
=
+−
=
1log10
2
01
01
8
PRH
Pérdidas IntrínsecasDesadaptación del Area de Núcleos
Perfil del Índice de refracción
Apertura numérica
DD 20 (dB)L
R
Ec log≈
2) + g( g2) + g( g 10 (dB)L
ER
REc log≈
ANAN 20 (dB) L
E
RAN log≈
DR/ DE
Pérd
idas
, dB
PRH
Elementos de derivación: AcopladorTipos de acopladores
M N Acoplador MxN
Acoplador en T
Estrella
9
PRH
Parámetros de un Acoplador
• Pérdidas de exceso
• Pérdidas de insercción
• Relación o coeficiente de acoplo
• Directividad
j
eexc P
PP∑
−= log10
Pe = Pot. de entrada, j =1.....N todas las salidas
j
iins P
PP log10−=
i = entrada, j = salida
( ) salidarP
PRj
rr =
∑=%
entradasikPPD
k
i == ,log10
PRH
Tabla Resumen
No aplicable1,0 log2NdBUniformidad50No aplicabledBDirectividad
No aplicable0,1 (1 + log2N)dBPérdida dependiente de la polarización (PDL)
Longitud de onda λ nominal a la que un componente está diseñado para que funcione con una calidad especificada En el caso de igual comportamiento en un amplio rango espectral se denomina Acoplador PLANO
nmLongitud de onda o gama de longitudes de onda de funcionamiento
No aplicable– 40dBReflectanciaNo aplicable0,5dBPérdida de exceso
MínimoTípicoMáximoUnidadesParámetro
N = número de puertos de salida
10
PRH
Aislador
Definición: Dispositivo óptico no recíproco destinado a bloquear la transmisión en una dirección, presentando pérdidas de inserción mínimas en el
sentido de transmisión deseado.
Principio de operación: Suelen basar su funcionamiento en el bloqueo de un Estado de Polarización (SOP) de la luz que los atraviesa.
Parámetros característicos: • Pérdidas de inserción (típicas de 1 dB)• Aislamiento (entre 40 y 50 dB)• Dispersión por modo de polarización
Aplicaciones
Evitar reflexiones en los sistemas que utilizan láseres y amplificadores.
PRH
Atenuador
Definición:Componente pasivo que
produce una atenuación controlada de la señal en una línea de transmisión de fibra óptica
Parámetros Característicos:• Reflectancia (-40 dB)• Pérdidas dependientes de la Polarización • Longitud de onda de operación• Atenuación incremental (en variables)
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PRH
Circulador (I)
Principio de funcionamiento: similar al aislador, excepto que tienen múltiples puertos.
1
23
PRH
Componentes selectivos en λ
Filtros y Multiplexores
• Definiciones
• Tipos
• Parámetros característicos
• Técnicas de Fabricación
12
PRH
Tipos
Tran
smi ta
ncia
( %)
Longitud de onda
Banda Ancha
Paso Bajo
Paso Alto
Banda Estrecha
Notch
Filtro óptico
Definición: Componente pasivo utilizado para modificar la radiación óptica que lo atraviesa, para lo cual modifica la distribución espectral.
Aplicaciones: Rechazar o absorber radiación óptica en unas gamas concretas de longitudes de onda mientras se transmite radiación óptica en otras gamas.
Filtro óptico sintonizable: Filtro que puede variar la gama de longitudes de onda de funcionamiento. Un filtro óptico no sintonizable presenta un valor fijo en toda la gama de longitudes de onda de funcionamiento.
PRH
Parámetros Característicos (I)
• Gama de longitudes de onda de funcionamiento: Longitud de onda λnominal a la que un componente está diseñado para que funcione con una calidad especificada
3dB1dB
Anchura de bandade paso a 1 dB
Frecuenciacentral
nominal
Anchura de bandade paso a 3 dB
• Anchura de banda de paso a 3 dB (también se puede definir a 1dB): Se define como la gama de frecuencias dentro de la cual la pérdida del filtro debe ser inferior a 3 dB con respecto a la pérdida mínima dentro de esa gama. La anchura de la banda de paso de 3 dB es simétrica con respecto a la frecuencia central nominal fc del filtro, es decir, para todas las frecuencias comprendidas entre fc – D3/2 y fc + D3/2, la pérdida debe estar dentro de 3 dB con respecto a la pérdida mínima.
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PRH
• Pérdidas de inserción a la longitud de onda de trabajo• Extinción de canal: En la gama de longitudes de onda de funcionamiento,
diferencia (en dB) entre la potencia mínima de los canales no extinguidos (en dBm) y la potencia máxima de los canales extinguidos (en dBm).
• Atenuación fuera de banda: Atenuación mínima (en dB) de los canales que se encuentran fuera de la gama de longitudes de onda de funcionamiento.
• Pérdida dependiente de la polarización (PDL, polarization dependentloss): Máxima variación de la pérdida de inserción debida a un cambio de estado de la polarización (SOP) entre todos los estados de la polarización.
• Reflectancia: Relación entre la potencia reflejada y la potencia incidente en un puerto dado de un componente pasivo, para determinadas condiciones de composición espectral, polarización y distribución geométrica.
• Reflectancia dependiente de la polarización: Máxima variación de la reflectancia debida a un cambio de estado de la polarización entre todos losestados de la polarización.
Parámetros Característicos (II)
PRH
λλ1 λn
DDEEMMUUXX
Multi/Demultiplexor: Definición
Definición: Dispositivo de derivación selectivo en longitud de onda (utilizado en sistemas de transmisión WDM (wavelength division multiplexing) en el que las señales ópticas pueden transferirse entre dos puertos predeterminados dependiendo de la longitud de onda de la señal. Multiplexor de longitud de onda: Dispositivo de derivación con dos o más puertos de entrada y un puerto de salida en el que la señal luminosa en cada puerto de entrada se limita a longitud de onda previamente seleccionada y la salida es la combinación de las señales luminosas procedentes de los puertos de entrada. Demultiplexor de longitud de onda: Dispositivo que lleva a cabo la operación inversa del multiplexor, en el que la entrada es una señal óptica que comprende dos o más longitudes de onda y la salida de cada puerto es una gama de longitudes de onda preseleccionada distinta.
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PRH
Tipo de WDM
PRH
Parámetros Característicos de WDM (I)• Gama de longitudes de onda de funcionamiento• Pérdidas a la longitud de onda de trabajo• Separación de canal: Diferencia entre frecuencias o
longitudes de ondas centrales de canales adyacentes en un dispositivo WDM.
• Diafonía o Telediafonia: Parte de potencia óptica que sale por un puerto a una longitud de onda no deseada.
11
2
2
11
2 2
1 1
2
2
( ) ( )( ) ij
PP
FCii
ijij ≠
−=
λλ
λ log10
Al igual que en los filtros:• Extinción de canal• Atenuación fuera de banda • Pérdida dependiente de la polarización (PDL)• Reflectancia. • Reflectancia dependiente de la polarización
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PRH
• Dispositivos Todo-Fibra
• Óptica Integrada
• Microóptica
Tipos de Filtros Ópticos y Multiplexores
Según la estructura utilizada:
• Acopladores selectivos en λ
• Red de Difracción
• Red de Bragg
• Filtros Dieléctricos Multicapa
• Fabry-Perot
• Mach-Zehnder
Basados en la tecnología de fabricación de:
PRH
Fabricación:Todo-Fibra
FusionadosSe fabrican mediante la fusión y el estirado de fibras ópticas.
Su principio de funcionamientose basa en la interferencia
modal
Campo evanescenteSe fabrican mediante técnicas de:
• Pulido• Ataque químicoPrincipio de funcionamiento
Acoplo de modos de una fibra a otra por campo evanescente
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PRH
Fusionados: Interferencia Modal
21
2ββ
π−
=bz
β → Constantes de Propagación de los modos interferentes
βφφ
∆=
•++=
LPPPPP cos2 2121
Potencia Óptica transmitida:
Principio de funcionamiento:Interferencia modal: Idealmente, en la zona fusionada se propagan
dos modos, sin intercambiar energía, que interfieren
constructiva o destructivamente dependiendo de λ y Lb .
La distribución modal de campo resultante se repite periódicamente,
con un periodo zb
PRH
Campo Evanescente
Acoplador 2x21
2
3
4lLongitud de acoplo
E→ Campo Eléctricoβ→ Constante de propagación del modok → Coeficiente de acoplo
=
−
2
1
4
3
)cos()sen()cos()cos(
EE
klkljkljkl
eEE ljβ
Principio de funcionamientoAcoplo de modos de una guía a otra por campo evanescente
Si las guías son idénticas el acoplo es total y se repite periódicamente a lo largo de la longitud de acoplo y en
función de la longitud de onda
Análisis ⇒ Teoría de Modo Acoplado
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PRH
Fabricación: Óptica Integrada
Principio de funcionamiento basado en:
• Campos evanescentes• Interferencia modal
Análisis similar a dispositivos Todo-Fibra con guías planas
InconvenientesAlineamiento a fibra críticoFabricación complicadaDependencia con T
Ventajas:Posibilidad de sintoníaIntegración con otros componentes Diseño versátil
PRH
(a)
(b)
lentesGRINDieléctrico
Fabricación: Microóptica
Utilizan elementos como:• Lentes• Lentes GRIN • Componentes dieléctricos• Divisores de haz, etc
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PRH
Comparación Técnicas de Fabricación
TODO-FIBRAEvanescente
Microópticos Fusionado Químico Pulido IntegradosPérdidas (dB) 0.5 < 0.5 < 1 < 1 < 5Directividad (dB) 30 > 50 > 40 > 50 > 50Posibilidad deIntegración Buena Pobre Sí
Posibilidad deMxN Sí Sí No aconsejable Sí
Estabilidadtérmica Buena Muy Buena Aceptable
Robustez Poca Alta Media AltaCoste Medio Moderado Medio Elevado
PRH
Interferencia
• Interferencia de dos haces• Interferencia de dos rendijas• Interferómetro Mach-Zender• Estructuras Fabry-Perot
– Aplicaciones• Red de Difracción
– Difracción de Bragg• Filtros Interferenciales• Arrayed-Waveguide Grating
19
PRH
E1
E2
E3
E4
Interferómetro Mach-Zehnder (I)
∆−∆
∆∆=
2
1
4
3
)2/sen()2/cos()2/cos()2/sen(
EE
LkLkLkLk
jEE
effeff
effeffν∆
=∆2
cLeff
Fabricación: (Óptica Integrada o Todo-Fibra): Conexión de dos acopladores (2x2) con un retardo de fase en una de sus ramas.Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)Posibilidad de sintonía: Mediante control de la diferencia de caminosAplicaciones: Filtro banda-ancha o estrecha concatenando varios MZI, multiplexores, moduladores…
PRH
Demultiplexor Mach-Zehnder
Demultiplexor 1x8 con estructuras Mach-Zehnder en cascada
20
PRH
Interferómetro Fabry-Perot (I)
R
Z = 0 Z = L
R
Espejos
E2
E0
L
π
α
ω
2m=2kL:
1
:)(),(
)1()1(
)2()(20
)(
2
2
FASE
eeREE
oscilacióndeCondiciónezAtzE
nnR
kLjLg
kztj
in =⇒=
=
+−
=
−−
−
mLneff
m2λ =
Lnmc
effm 2
ν =nk eff2
λπ
=
PRH
Interferómetro Fabry-Perot (II)
Lneff 2
2λλ =∆
Lnc
eff 2ν =∆
Finesse ( )[ ]RRF
−=
12π
2mπλ 2(m+1)πλ 2(m+2)πλ
Tran
smita
ncia
70%
50%
20%
λ
Aplicación: Cavidad resonante en Láseres
21
PRH
Filtro Fabry-Perot sintonizablePrincipio de Operación: Cavidad resonante Fabry-Perot
Fabricación (Todo-Fibra): Fibras terminadas en superficies semi-reflectantes, enfrentadas mediante un transductor piezoeléctrico.
Posibilidad de sintonía: Variación de la distancia entre las caras transversales de las fibras aplicando sobre el piezoeléctrico la tensión adecuada.
Aplicaciones: Filtro de banda estrecha en
Sistemas WDM con separación entre
canales menor de 9 nm.
PRH
Red de Difracción (Diffraction Gratings)
Figura 5.6 y 5.7. Kartalopoulos. “Introduction to DWDM Technology”
22
PRH
Red de Bragg
Los lóbulos laterales se pueden suavizar diseñando la red con una variación del índice de refracción no uniforme
Espectro de la potencia óptica reflejada por una
Red de Bragg
Una red de Bragg es una perturbación periódica en el medio de propagación. En general se realiza mediante la variación del índice
de refracción del medio.Principio de operación: Interferencia de señales ópticas
originadas por una misma fuente, pero con un desplazamiento de fase relativo diferente.
PRH
Filtro InterferencialDielectric Thin-Film (DTF)
Señal transmitida:• canal o banda específica
Señal incidente
Señal reflejada
Substrato
Revestimiento dielectrico
23
PRH
Red de Bragg en fibra Red de Bragg en fibra: la variación periódica del índice de refracción del núcleo de lafibra.Principio de Funcionamiento: Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del periodo de la red de difracción.Tipos: Periodo corto y Periodo largo•Fabricación (Dispositivo Todo-Fibra) : Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la interferencia de dos haces UVAplicaciones: Filtrado, Funciones add/drop, Compensación de la dispersión, Ecualización de la ganancia en A.OVentajas: Bajas pérdidas, Fácil acoplo a fibra, Baja sensibilidad a la polarización
Longitud de onda de Bragg λB = 2neffΛ
λ incidente Λ, período de la red
λ- λB
λBλ1 λn
λB
λ1 λn
PRH
Red de Bragg de periodo constante + Circulador Fabricación de elementos
ópticos de extracción/inserción (add/drop)
Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)
24
PRH
Red de Bragg de periodo no constante + CirculadorCompensación de la Dispersión
Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)
PRH
Aplicación Red de Bragg en Fibra:Filtro de banda estrecha
Fabricación:
Acoplador Fusionado (2x2) con Redes de Bragg en ambos puertos de salida
25
PRH
Aplicación Red de Bragg en Guías:Multiplexador Add-Drop
Dependencia con la polarización de la señal transmitida
PRH
Interferómetro MichelsonPrincipio de Operación: Cambio de fase por diferencia de
caminos ópticos entre las ramas del interferómetro.
Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra):Acoplador (2x2) con Red de Bagg en sus ramas de salida
y un retardo de fase en una de ellas.
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PRH
AWG (Arrayed-waveguide Grating)
Acoplador en estrella NxM
Acoplador en estrella MxN
Fabricación: Dos acopladores en estrella unidos por un arrayde guiaondas de distintas longitudes y curvaturas, fabricados
sobre un mismo substrato (SiO2/Si) (GaAs/AlGaAs) (InGaAlAs/InP)
Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor de gran número de canales separados del orden de pocos nm
PRH
WGR (Waveguide Gratings Routers)
Potencia transmitida en un dispositivo 1x10 para dos puertos de salida adyacentes.
Fabricación: similar a los AWG, con acopladores planos con longitud
focal R y guías de longitud incremental (L+∆L)
Funcionamiento: se basa en interferometría (MZI)
Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor. “Encaminador” en
función de λ.
27
PRH
Bibliografía• Optical Networks: A practical prespective. Rajiv Ramaswami and K.N. Sivarajan,
Morgan Kaufman, 1998.• Handbook of optical Fibers and cables, Second Edition, H. Murata, Dekker 1996.• Fiber Optic Test and Measurement. Dennia Derickson. Dennis Derickson, 1997• Optical Fiber Communications. Third Edition. Gerd Keiser. Mc Graw Hill, 2000.• Principles and appications of Optical Communications. M.M Liu. IRWIN 1996.• Semiconductor Optoelectronic Devices. Pallab Bhattacharya. Second Edition
Prentice Hall. 1997.• Optical Communications Systems. Second Edition. J. Gowar. Prentice Hall, 1993.• Fiber Optic Communications Design Handbook. Robert J. Hoss. Prentice Hall.
1990.• Multiwavelength Optical Networks. T.E.Stern and K. Bala. Addison Wesley.
1999.• Fiber-Optic Communications Systems. Second Edition. G.P. Agrawall. Wiley-
Intersciencie, 1997.• B.E.A. Saleh, M.C. Teich, "Fundamentals of Photonics", John Wiley & Sons,
USA 1991.