fibra optica implementacion

I N D I C E.

pág.

-INTRODUCCIÓN

-JUSTIFICACION

-MARCO TEORICO

FIBRA OPTICA

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

TIPOS DE FIBRA OPTICA

-DESARROLLO PRACTICO

ESQUEMA DE DISPOSITIVO

-DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL DISPOSITIVO

-TRANSMISOR.

CONVERSOR ELECTRICO OPTICO

DIAGRAMA DEL CIRCUITO CONVERSOR ELECTRICO OPTICO

FUENTES OPTICAS

DIODOS LED

FUENTE OPTICA SELECCIONADA

-FIBRA OPTICA SELECCIONADA

CARACTERISTICAS DE LA FIBRA OPTICA SELECCIONDA.

ESPECTRO DE FRECUENCIAS PARA F.O.

-RECEPTOR.

RECEPTORES OPTICOS

CARACTERISTICAS DE LOS RECEPTORES OPTICOS.

FOTODETECTORES.

ONDAS ELECTROMAGNETICAS GUIADAS-FIBRAS OPTICAS

Pag.

FOTODETECTOR SELECCIONADO

DIAGRAMA DEL CIRCUITO FOTODETECTOR

AMPLIFICADOR

DIAGRAMA CIRCUITO AMPLIFICADOR

2


INTRODUCCION.

Este proyecto consiste en diseñar y construir un sistema de transmisión de señales de

pulsos led por medio de fibra óptica el proceso constara de una señal de luz enviada desde

el extremo emisor hasta el extremo receptor.

El sistema consta de un módulo emisor a 850 nm y un módulo receptor a 850 nm, para el

diseño del dispositivo se empleó una fibra monomodo, con un núcleo de 62.5 µm y una

cubierta 125 µm.

El propósito es el de transmitir señales luminosas, para esto se diseña un circuito electro-

optico conformado por un circuito excitador y un LED.

Un circuito fotodetector basado en un fotodiodo PIN convierte los cambios de nivel Óptico

a cambios de niveles de voltaje. Estos niveles de voltaje pasan por un circuito comparador

el cual regula los niveles de voltaje entre 0 V y 5 V para que la señal digital ingrese hacia

un conversor y la señal captada se visualice mediante un display.

JUSTIFICACION.

Se realizara este proyecto como trabajo complementario de laboratorio de ondas

electromagnéticas guiadas sobre el tema de fibras ópticas aplicando el conocimiento

teórico implementando en el diseño y construcción de un dispositivo a través del cual se

pueda demostrar la transmisión de una señal específica.

3


MARCO TEORICO

FIBRA ÓPTICA

Los hilos de fibra óptica son filamentos de vidrios flexibles, con un diámetro típico de 125

µm. Llevan mensajes en forma de haces de luz que pasan a través de ellos de un extremo

a otro, donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción.

Para alcanzar los objetivos se deben tener presentes ciertas cualidades de la fibra óptica,

como son su sensibilidad a la curvatura y a la microcurvatura, la resistencia mecánica, y las

características de envejecimiento.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su

enorme ancho de banda, sin embargo con el tiempo se ha planteado para un amplio rango

de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas

de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta

resolución entre otros. También pueden usarse, tanto en pequeños ambientes

autónomos (tales como sistemas de procesamiento de datos de aviones), como en

grandes redes geográficas (como los sistemas de largas líneas urbanas mantenidos por

compañías telefónicas).

El concepto de las comunicaciones por ondas luminosas ha sido conocido por muchos

años. Sin embargo, no fue hasta mediado de los años setenta que se publicaron los

resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible confinar un haz luminoso

en una fibra transparente flexible y proveer así un análogo óptico a la señalización

eléctrica por alambres. El problema técnico que se tenía que resolver para el avance de la

fibra óptica residía en las fibras mismas, que absorbían luz que dificultaba el proceso. Para

una comunicación práctica, la fibra óptica debe transmitir señales luminosas detectables a

muchos kilómetros. El vidrio ordinario tiene un haz luminoso de pocos metros de alcance.

4


Sin embargo, han desarrollado nuevos vidrios muy puros con transparencias mucho

mayores que la del vidrio ordinario. Este gran avance ha dado ímpetu a la industria de

fibras ópticas.

La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en

comparación con el cobre. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el

núcleo, la funda óptica y el revestimiento. El núcleo es la parte más interna de la fibra y es

la que guía la luz. Consiste en una o varias hebras delgadas de sílice, cuarzo fundido o

plástico con diámetro de 50 µm o 62.5 µm para la fibra multimodo y 9 µm para la fibra

monomodo. La funda óptica, generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero

con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo. Y el revestimiento de protección,

por lo general está fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra, la

protege contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.

Los problemas de dispersión modal pueden afectar la transmisión de cualquier

información emitida por medio de impulsos de luz. Esto se denomina algunas veces como

capacidad a la respuesta impulsiva de la fibra óptica. La dispersión modal y la del material

tienden a ensanchar los impulsos de luz en el tiempo y aunque la transmisión de

información pudiera haber comenzado con impulsos cortos y perfectamente espaciados,

este tipo de dispersión puede ocasionar que los impulsos ocupen un gran intervalo de

tiempo y de este modo reducir el espaciamiento temporal entre ellos llegando, en el peor

de los casos, a solapamiento tan grande de los impulsos que no existen ni impulsos ni

espacios. Habría únicamente un rayo de luz continuo en la salida. La dispersión relaciona,

pues, la velocidad de propagación de las distintas frecuencias dentro de la banda de

frecuencias transmitidas por la guía de luz óptica.

Una de las consideraciones más importantes en la utilización de fibras ópticas y rayos de

luz para transmisión de datos y comunicaciones es el hecho de que los rayos luminosos

son prácticamente inmunes a las interferencias eléctricas cuando se envían sobre un

camino de transmisión de fibra óptica. Las radiaciones electromagnéticas, como descargas

5


eléctricas, rayos y efectos de diafonía que actúan como fuentes de interferencias, son

prácticamente eliminados en un sistema de transmisión por fibra óptica.

Se debe tener presente también el significado del uso de la luz y de las frecuencias

luminosas en las comunicaciones. Si se considera el hecho de que para la transmisión de

información es necesaria una pequeña banda de frecuencias (quizás del orden de los kHz),

se debe pensar entonces en la cantidad de bandas que puede contener la región luminosa

del espectro de frecuencias sin que se interfieran unas con otras. Además, como las

bandas pueden hacerse más anchas, es posible transmitir información a velocidades

mayores. Podrían llegar a usarse velocidades del orden de los Gbps e incluso superiores y

aún así quedaría una anchura de banda suficiente para poder manejar un gran número de

canales simultáneamente. En los sistemas de fibra óptica pueden enviarse datos digitales

y analógicos de manera conjunta. Esto significa que los costes son menores que con los

cables de cobre, hay también menor diafonía e interferencias.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA

A continuación en las siguientes tablas se mencionan las principales ventajas y desventajas

de la fibra óptica.

VENTAJAS

• Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales.

Se facilita la movilidad en áreas reducidas.

• Alta calidad de transmisión. Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables,

causadas por inducción magnética.

• Reducción de costos de protección contra el ruido. Inmunidad a interferencia

estática debida a las fuentes de ruido.

6


• Eliminación de los problemas de bucle de tierra. No es necesario tener puesta a

tierra de señales, como ocurre con alambres de cobre que quedan en contacto con

ambientes metálicos.

• Comparte una bandeja con cables de energía, aún de alta tensión o frecuencia, o al

aire con mínimas fijaciones.

• Travesía segura en zonas peligrosas. La seguridad en cuanto a la instalación y

mantenimiento, es decir, las fibras de vidrio y plástico no son conductoras de

electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles. Seguridad contra

descargas eléctricas.

• Mayor confiabilidad gracias al menor número de repetidoras. En el sistema de

fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de

recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil

mantenimiento este material.

• Menor mantenimiento. Reducción de los costos de instalación y reparación.

• Gran capacidad de transmisión debido al ancho de banda mayor disponible en

frecuencias ópticas.

• Eliminación de igualadores.

• Atenuación independiente del ancho de banda del mensaje transmitido.

• Confiabilidad y alta privacidad de la transmisión, las fibras no pierden luz, por lo

que la transmisión es segura y no puede ser perturbada.

7


• Niveles pequeños de potencia eléctrica en el transmisor.

• Gran abundancia en la naturaleza del material base SiO2, por tanto, fáciles de

conseguir en el mercado.

• Interferencias pequeñas entre fibras.

• Mayor economía para enlaces mayores de 2 km y velocidades mayores a 2 Mbps.

• Compatibilidad con la tecnología digital.

• La fibra es una tecnología probada, sencilla sumamente estandarizada y de altísima

confiabilidad.

DESVENTAJAS

• Fragilidad de las fibras.

• Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo.

• Sólo puede utilizarse por las personas ubicadas en las zonas por las cuales ya esté

instalada la red de fibra óptica.

• El coste es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo

de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se

mide en megabytes.

8


• Disponibilidad limitada de conectores.

• Las fibras ópticas presentan limitaciones químicas que adquieren mayor intensidad

para determinadas longitudes de onda, a los efectos de la irradiación,

determinándose que los láseres de elevada potencia pueden motivar cierto

deterioro. La irradiación conduce a modificar el color del material

transparente de las fibras, produciendo su oscurecimiento.

TIPOS DE FIBRA.

La fibra óptica está considerada aún como una tecnología relativamente nueva con

respecto a otros medios físicos. Su ya extendida utilización, se encuentra en plena

evolución.

Según sea la forma de guiar los rayos de luz por la fibra óptica (ya sea en un cierto número

de modos o en uno solo) el tipo de fibra se denomina multimodo o monomodo.

Tabla. Características de los tipos de fibra óptica.

9


Dentro de las fibras multimodo existen dos tipos, de índice de escalón o índice abrupto y

de índice gradual. En el tipo de fibra de índice abrupto, las fibras se componen de

revestimiento de baja refracción y de un núcleo de elevado índice de refracción, por el

que se guía la luz mediante reflexión total en el límite revestimiento-núcleo. En el caso de

fibras ópticas con perfil de índice gradual la luz se desvía continuamente hacia el eje de la

fibra en las regiones externas con índice de refracción menor.

En la fibra óptica de índice abrupto, el índice de reflexión del núcleo es completamente

distinto al índice de refracción de la cubierta. De esta forma, durante la transmisión la luz

va chocando contra las paredes de la cubierta, siendo reflejada en cada choque hacia el

núcleo. Este sistema es el más fácil de construir, pero presenta como inconvenientes una

mayor atenuación y un ancho de banda más estrecho.

Dado que el núcleo presenta un índice de refracción constante, la velocidad de los rayos

luminosos también será constante, así a mayor espacio recorrido por dichos rayos, mayor

será el tiempo que tardarán en llegar al otro extremo de la fibra óptica.

En este tipo de fibra los rayos luminosos se propagan por la fibra en zigzag, de ahí que los

rayos sigan recorridos diferentes, es decir que unos tardarán más tiempo que otros en

llegar al extremo opuesto de la fibra. Este es el motivo por el que producen algunos

retardos en la transmisión. Así pues, cuando se transmiten mensajes a alta velocidad,

como es el caso de la información digital, los impulsos sufren un alargamiento tendiendo a

superponerse, por lo que la información puede distorsionarse.

Propagación en una fibra óptica de índice abrupto.

10


Otro tipo de fibra multimodo es el ya mencionado de índice gradual, en el que el núcleo

no mantiene un índice de refracción constante, sino que va aumentando progresivamente

desde el eje hacia afuera. Con esta técnica se produce una refracción gradual a medida

que los rayos van penetrando en la cubierta. Este sistema presenta un ancho de banda

mayor que el de índice abrupto y menor atenuación.

En las fibras de índice gradual la energía luminosa se propaga de una forma diferente a las

fibras de índice abrupto. Al ir variando gradualmente el índice de refracción a lo largo del

diámetro de la fibra e ir disminuyendo hasta que en el límite, entre el núcleo y la cubierta

alcance el valor mínimo, los modos varían deforma helicoidal. Al no existir una diferencia

grande entre el índice de refracción del núcleo y de la cubierta, la luz no choca

bruscamente contra él y no viaja a través del núcleo en zigzag, como ocurre en el índice

abrupto.

Los rayos de luz que se propagan por las zonas exteriores del núcleo, tienen un índice de

refracción más bajo, por tanto viajarán a mayor velocidad, según la expresión de la

velocidad de la luz a través del medio.

Por el contrario, los rayos que viajan por el centro del núcleo, al tener un índice de

refracción mayor, se propagan a menor velocidad. De estas dos afirmaciones deducimos

que, aunque los rayos de luz viajan de distintos modos, llegarán al mismo tiempo al

extremo opuesto de la fibra ya que, a pesar que algunos rayos recorren más camino que

otros, van a mayor velocidad.

Propagación en una fibra óptica de índice gradual

11


En el segundo tipo de fibra, denominado monomodo, el núcleo es muy delgado, de tan

sólo unas pocas micras, y a través del cual los rayos de luz siguen un único camino, por lo

tanto sólo existe un modo. Gracias a esta técnica se obtiene un ancho de banda superior y

menor atenuación. Sin embargo, al tener unas dimensiones reducidas se dificulta la

interfaz con las fuentes emisoras, debiendo ser estas de alta calidad, motivo por el cual

este sistema también resulta más costoso.

Este tipo de fibra se utiliza típicamente en comunicaciones de media y larga distancia y en

enlaces intercontinentales en los que hay una elevada transmisión de datos, lo cual

justifica una inversión más grande.

Propagación en una fibra óptica monomodo.

Desde 1970, los sistemas de comunicación que emplean la fibra óptica como medio de

transmisión han tenido un desarrollo considerable. Este gran auge se debió a las bondades

que representa este medio de transmisión como son las bajas atenuaciones. Las

atenuaciones introducidas por la fibra óptica para sistemas de comunicación, están dentro

del intervalo de 0.2 dB/Km a 5 dB/Km, y las fuentes ópticas pueden acoplar niveles de luz

a las fibras ópticas desde varios microwatts a varios miliwatts, y sensibilidades típicas de

los receptores ópticos están en el intervalo de -20 dBm a -60 dBm.

Los enlaces por fibra óptica hoy en día se encuentran en aplicaciones de corta y larga

distancia, tanto para enlaces punto a punto como punto a multipunto y multipunto a

multipunto.

12


En los sistemas de comunicaciones por fibra óptica la información viaja en forma de rayos

de luz, es decir ondas electromagnéticas guiadas; la diferencia con las ondas

electromagnéticas de radio es la frecuencia de operación. Como en los sistemas de

radiocomunicación, estos sistemas requieren de transductores para el acondicionamiento

de las señales de transmisión y recepción. En el transmisor se requiere de un transductor

de ondas luminosas a ondas de corriente y finalmente a niveles de voltaje.

DESARROLLO PRÁCTICO.

Para la realización del dispositivo de deben tomar en cuenta tres etapas de diseño y

construcción, ya que para completar el sistema de comunicación se debe implementar un

transmisor (emite la señal), el medio de comunicación o guía de señal que sería la fibra

óptica y un receptor (recibe la señal transmitida).

Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra óptica son: transmisor,

receptor y guía de fibra.

- El transmisor consiste de una interface analógica o digital, un conversor de voltaje a

corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente de luz a fibra.

- La guía de fibra es un vidrio ultra puro o un cable plástico.

- El receptor incluye un dispositivo conector detector de fibra a luz, un foto-detector,

un conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase

analógica o digital.

En un transmisor de fibra óptica la fuente de luz se puede modular por una señal análoga

o digital. El conversor de voltaje a corriente sirve como interfase eléctrica entre los

circuitos de entrada y la fuente de luz.

13


La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de inyección láser ILD, la

cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de excitación, por lo tanto el

conversor voltaje a corriente convierte el voltaje de la señal de entrada en una corriente

que se usa para dirigir la fuente de luz.

La conexión de fuente a fibra es una interfase mecánica cuya función es acoplar la fuente

de luz al cable.

La fibra óptica consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una capa

protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector de fibra a luz también es un

acoplador mecánico.

El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de avalancha).

Ambos convierten la energía de luz en corriente. En consecuencia, se requiere un

conversor corriente a voltaje que transforme los cambios en la corriente del detector a

cambios de voltaje en la señal de salida.

ESQUEMA DE DISPOSITIVO.

fuente de luzSeñal de entrada (LED) interfaz digital ELIMINADOR (DISPLAY)(TENSION) fotodetector

GUIA DE FIBRA

CONVERTIDOR conector conector CONVERTIDOR AMPLIFICADOR (voltaje-corriente) fuente de luz a fibra fibra a fuente de luz (corriente a tension)

14

TRANSMISOR RRECEPTOR


DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL DISPOSITIVO

TRANSMISOR.

CONVERSOR ELECTRO ÓPTICO

Los circuitos de excitación para las fuentes de luz tienen como función convertir el voltaje

de la señal a transmitir en una corriente modulada con un valor pico adecuado a las

características normales de operación de la fuente óptica. Cada uno tiene características

particulares, la selección de estos depende del tipo de sistema (análogo o digital) y del

tipo de fuente de luz (LED o LD).

Entre las diferentes fuentes ópticas que existen, los diodos láser (LD) y los diodos emisores

de luz (LED) son los únicos que satisfacen todos los requerimientos exigidos por los

sistemas de telecomunicaciones.

En este caso se hizo uso de diodos LED porque el LED con respecto al LD tiene mayor

estabilidad térmica, mayor tiempo de vida, es más lineal, es menor susceptible a

transitorios, es más robusto, más económico y requiere un circuito de excitación simple.

Ya que es importante mantener los niveles de corriente de excitación por encima del codo

de activación de LED, fue necesario implementar un circuito modulador de corriente entre

una corriente nula y un valor máximo, para cada una de las longitudes de onda que

maneja cada LED (850 nm y 1300 nm).

Estos emisores transforman los impulsos eléctricos en luz pasando de una corriente de

electrones a un flujo de fotones.

15


DIAGRAMA DEL CIRCUITO CONVERTIDOR DE TENSION A CORRIENTE.

El circuito implementado es muy sencillo pero de suma importancia para el buen

desempeño de la fuente de luz. Dependiendo de la señal presente en la base del transistor

se presenta o no corriente, y el valor de la resistencia de salida determina la máxima

corriente adecuada para la activación del diodo óptico.

FUENTES OPTICAS

DIODOS LED COMO FUENTES ÓPTICAS (fuente de luz)

Los diodos emisores de luz (LED) son fuentes de luz con emisión no coherente

(espontánea); son diodos semiconductores p-n que para emitir luz se polarizan

directamente. Esta luz con emisión espontánea, es radiada en todas direcciones, por lo

que un porcentaje pequeño se acopla a la fibra óptica, normalmente del tipo multimodo.

El acoplamiento entre el LED y la fibra óptica puede ser directo, es decir, colocando la

fibra en la proximidad a la zona de emisión.

16


Características de la fuente de luz seleccionada.

En los sistemas de transmisión por fibra óptica de distancias cortas sin repetidores, los

LEDs son las fuentes ópticas preferidas, debido a que presentan mayor linealidad que los

diodos láser y su distorsión armónica es aceptable. Su circuito de excitación es simple,

dado que no requiere compensación ni etapa de protección.

El LED es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico que se utiliza para

cortas y medias distancias. Se utiliza para 850 nm en fibras multimodo.

En los sistemas de transmisión digital por fibra óptica, el circuito de excitación trasforma

los niveles lógicos disponibles en su entrada a niveles de corriente adecuados para excitar

a la fuente óptica.

En este trabajo, dado que la distancia es corta (3 metros), es apropiado para trabajar con

fibra óptica multimodo y otras de las características ya mencionadas en este trabajo, se

escogió usar un diodo LED, ya que son dispositivos muy robustos y no requieren circuitería

de protección lo cual redunda en simplicidad y bajo costo de los transmisores.

El LED utilizado es de 850 nm, sus características se muestran en la tabla:

FIBRA OPTICA SELECCIONADA.

El tipo de fibra seleccionada fue una fibra multimodo de índice gradual porque esta

proporciona una comunicación fiable y rápida entre los puntos de interés y sobre todo

porque brinda facilidades de acceso por su popularidad y economía. En las fibras

17


multimodo de índice gradual (en el que el núcleo no mantiene un índice de refracción

constante, sino que va aumentado progresivamente desde el eje hacia fuera) se ha

reducido la dispersión multimodal con respecto a la dispersión sufrida por el pulso de luz

cuando se propaga a lo largo de la fibra óptica de índice abrupto, por lo tanto, si se tiene

un enlace de una determinada longitud, la fibra multimodo de índice gradual puede llevar

información a mayor velocidad que las fibra multimodo de índice abrupto. Por esta razón

principalmente se escogió este tipo de fibra multimodo.

La medida del núcleo del la fibra seleccionada fue de 62.5 μm y la cubierta de 125 μm. El

tipo de conector seleccionado para la fibra fue un ST (Standard type) por su disponibilidad

y su compatibilidad con los demás dispositivos.

La fibra óptica seleccionada está fabricada de silicio o vidrio. El rango de

Operación de dicha fibra en longitud de onda está dentro del rango de 850 nm a 1550 nm

(infrarrojo).

Características de la fibra seleccionada.

FIBRA OPTICA MULTIMODO 62.5 μm NUCLEO Y 125 μm REVESTIMIENTO

18


CONECTORES ST DE FIBRA OPTICA

OTRAS FUENTES DE LUZ Y CONECTORES

• Los tipos de láser más utilizados en la industria de televisión por cable son: FP (Fabry Perot), DFB (Distributed Feed Back), y YAG. Debido a sus propiedades y a su comportamiento se utiliza generalmente el FP y el DFB.

• Se sugiere utilizar el láser FP en los transmisores de retorno debido a que funciona muy bien en un ancho de banda pequeño, mientras que los DFB ofrecen una mejor respuesta en la ruta principal (en el sentido descendente). Los láser DFB ofrecen una CNR (Relación Portadora a Ruido) superior al los FB pero requieren de otros mecanismos para el control de su temperatura. Consulte las especificaciones de los fabricantes para mayor referencia.

19


• Los conectores más comunes en los sistemas de televisión por cable son: el FC (de rosca), el FC (de presión) y el ST (de 90° de giro) [Figura 15]. En términos de pérdida de señal, un conector es la manera menos eficiente de unir dos fibras, pero se compensa por lo práctico que resulta su uso.

(De izquierda a derecha) Conector para fibra óptica FC, SC y ST

Existen también un par de variantes para los conectores: el UPC (Conector Ultra Pulido) y el APC (Conector Pulido Angularmente). Estos nombres se les dan por la técnica de pulido que se le da al conector con la finalidad de disminuir aún más la pérdida de señal (tienen aproximadamente de 0.2 dB a 0.5 dB de pérdida).

• Recuerde que para elegir un conector se sugiere considerar lo siguiente:

o Baja pérdida: es decir que pierda poca potencia óptica.

o Fácil instalación: quiere decir que el conector se pueda instalar y/o desinstalar sin necesidad de herramientas especiales.

o Repetición: que al conectarse y desconectarse varias veces no existan cambios en la pérdida de la potencia óptica.

o Consistencia: que no haya variaciones en la pérdida de potencia óptica.

o Bajo costo: que no implique el uso de herramientas costosas ni que el conector, por sí mismo, sea muy caro.

20


ESPECTRO DE FRECUANCIAS PARA LAS FIBRAS OPTICAS.

La transmisión de información a través de fibras ópticas se realiza mediante la modulación

(variación) de un haz de luz invisible al ojo humano, que en el espectro ("color" de la luz)

se sitúa por debajo del infrarrojo.

RECEPTOR.

RECEPTORES ÓPTICOS

21


El propósito del receptor en los sistemas de telecomunicaciones por fibra óptica, es

extraer la información contenida en una portadora óptica que incide en el fotodetector.

En los sistemas de transmisión análoga el receptor debe amplificar la salida del

fotodetector y después demodularla para obtener la información.

El detector óptico se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica y por tanto actúa

como un transductor opto eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones

(luz) procedentes de la fibra óptica y generan unos pulsos eléctricos sobre un circuito

exterior, esta corriente eléctrica es muy débil, por lo que debe amplificarse

En los sistemas de telecomunicaciones por fibra óptica, el fotodetector es un elemento

esencial, su importancia impone que satisfaga requerimientos muy estrictos en su

funcionamiento.

Las características principales que deben tener son:

* Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación (850 nm o 1300 nm)

* Contribución mínima al ruido total del receptor.

* Ancho de banda grande (respuesta rápida).

* Características estables respecto al ambiente.

* Dimensiones físicas compatibles con la fibra óptica.

Características del receptor seleccionado

FOTODETECTOR.

Existen básicamente dos tipos de fotodetectores de semiconductor, que se emplean en

los receptores ópticos para sistemas de telecomunicaciones. Uno es comúnmente referido

como fotodetector PIN, el otro es el fotodetector de avalancha (APD). Estos detectores

presentan como principales ventajas, su alta sensibilidad y su bajo tiempo de respuesta.

22


El PIN se trata de una versión mejorada de una unión PN elemental que trabaja polarizado

en inversa. Son utilizados de forma general en 850 nm y 1300 nm, con independencia del

tipo de fibra óptica.

En este trabajo se implementó el fotodetector PIN debido a que estos detectores son los

más comunes en los sistemas de transmisión por fibra óptica. Estos dispositivos se forman

con una capa de material semiconductor ligeramente contaminado, llamada región

intrínseca, la cual se coloca entre dos capas del material semiconductor, una tipo n y otra

tipo p. Cuando se aplica una polarización inversa al fotodetector, se crea una zona

desértica (libre de portadores) en la región intrínseca y en la cual se forma un campo

eléctrico.

Un fotón que llegue a la zona desértica, con energía mayor o igual a la del material

semiconductor, puede perder su energía y excitar a un electrón que se encuentre en la

banda de valencia para que pase a la banda de conducción. Este proceso genera pares

electrón-hueco, que se llaman fotoportadores. El fotodetector se diseña para que la

mayoría de los fotones se absorban en la zona desértica y se generen fotoportadores, los

cuales se separan debido al campo eléctrico presente en esta región. La colección de los

portadores genera un flujo de corriente en el circuito externo del fotodetector.

Los principales parámetros a tener en cuenta en los fotodetectores son:

1. La capacitancia y resistencia de la zona desértica y de la zona no desértica.

2. La responsividad.

3. Corrientes de oscuridad (ruido).

4. La velocidad de respuesta.

La capacitancia y la resistencia del fotodetector, combinada con la impedancia de carga,

forman la constante de tiempo del sistema.

Una resistencia que frecuentemente no se toma en cuenta en el fotodetector, es la de la

zona desértica, ésta es difícil de cuantificar, dado que en cada caso es diferente. Para un

23


funcionamiento óptimo de alta velocidad de los fotodetectores, el área activa de éstos

debe estar lo más próxima a la zona de iluminación. La energía de los fotones absorbidos

fuera de la zona desértica, producen portadores de carga que se colectan por difusión, su

velocidad es mucho más lenta que la de los portadores de carga que se generan dentro de

la zona desértica, por lo que bajo ciertas condiciones de polarización, los fotodetectores

pueden tener respuestas de tiempo rápidas, para longitudes de onda cortas y respuestas

de tiempo lentas para longitudes de onda largas.

La fotocorriente generada en un fotodetector se incrementa linealmente con la potencia

óptica de entrada.

La corriente de oscuridad en los PIN es la corriente que pasa por el fotodetector en

ausencia de luz inyectada, cuando se polariza el dispositivo en inversa.

Corrientes altas unidas a desequilibrios entre los fotodetectores tienden a reducir la

sensibilidad del receptor. Los fotodetectores PIN se fabrican con GaAlAs/GaAs, tienen

corrientes de oscuridad de aproximadamente 0.2 nA y operan en el intervalo de las

longitudes de onda de 700 nm a 900 nm. Los que se fabrican con

GaInAs tienen una corriente de oscuridad de aproximadamente 2 nA y operan en las

longitudes de onda de 1000 nm a 1500 nm, se utilizan en sistemas de alta velocidad. Los

fotodetectores de silicio, tienen una corriente de oscuridad de alrededor de 1 nA, operan

en el intervalo de longitudes de 700 nm a 1000 nm y su eficiencia cuántica es alta. Los

fotodetectores de Ge operan en las longitudes de onda mayores de 1000 nm, su corriente

de oscuridad aumenta fuertemente con la temperatura, por lo que ofrece una mayor

sensibilidad cuando operan a temperaturas menores 0 °C .

En este trabajo se usaron dos fotodetectores, uno para cada longitud de onda

seleccionada. El primer detector es un producto de AMP, referencia 269111-1, para 850

nm, fabricado de GaAlAs/GaAs.

Características del fotodetector.

Responsividad: 0.70 A/μW

24


Rata de datos: 125Mbps

Ancho de Banda: 125 MHz

Fotodetector de 850 nm

El diseño e implementación de este control se puede realizar con diferentes sensores de

luz y de varias formas. Vamos a realizar este bloque del receptor con fotorresistencia o

LDR (Light Dependent Resistor) y con fototransistor o fotodiodo.

El principio es un simple comparador de voltaje hecho con la mitad de un MC4558,

para este proyecto se puede utilizar casi cualquier amplificador operacional.

Se realizó el circuito con un fotodiodo o fototransistor ocupando los siguientes elementos

para el circuito:

R1 82K

R4 39K

R3 un potenciómetro de 50 K.

R4 a 100k

En muchas ocaciones vienen en parejas (un led infrarrojo y un fototransistor), el que tiene

la base blanca es el led y el que tiene la base negra es el fototransistor.

Normalmente es un fototransistor con solo 2 patillas por eso decimos que es un

fotodiodo.

25


DIAGRAMA DEL CIRCUITO FOTODETECTOR

AMPLIFICADOR

Un amplificador de alta eficiencia para un fotodiodo es muchas veces indispensable.

Si se toma en cuenta que la corriente que entrega el fotodiodo es muy pequeña, poder

amplificar la señal que este recibe es de gran utilidad.

Aunque se pueden utilizar un gran número de amplificadores operacionales diferentes

para realizar esta amplificación, se utiliza en este caso un LM308, debido a que tiene una

excelente ganancia, es más inmune al ruido que otros operacionales y su respuesta de

frecuencia es mejor.

Este circuito está diseñado para recibir pulsos de luz es muy sensible y funciona muy bien

como receptor de señales de luz.

El amplificador está configurado como un amplificador inversor. Esto significa que la

forma de onda de la salida es opuesta a la de la entrada (está desfasada 180°). La ganancia

del amplificador se puede controlar con ayuda del potenciómetro R2

Otra manera de observar este circuito es como convertidor de corriente (corriente del

fotodiodo) a tensión (salida del amplificador operacional).

26


El voltaje de salida es el producto de la corriente del fotodiodo por la resistencia R1

El capacitor C2 se utiliza en el LM308 para mejorar su respuesta de frecuencia.

Este circuito puede funcionar también con el amplificador operacional 741C (más barato),

pero la ganancia y la respuesta de frecuencia es menor. En este caso el capacitor C2 no es

necesario.

El voltaje de alimentación puede estar entre los 6 y 15 Voltios

Lista de componentes de circuito

- Semiconductores: 1 LM308T o 741C, 1 fotodiodo común

- Resistores: 1 de 1 (Megaohm), 1 potenciómetro de 1 Megaohm

- Capacitores: 1 de 0.01 uF (microfaradios) (C1), 1 de 100 pF (picofaradios) (C2)

DIAGRAMA AMPLIFICADOR

INTERFAZ DIGITAL DE SALIDA (DISPLAY)

Debido a que la señal que vamos a transmitir a través del dispositivo de comunicación por fibra óptica diseñados son pulsos electro-ópticos que activaran un contador en la salida capaz de detectar dichos pulsos y al pasar por el circuito convertidor de pulsos de luz a voltajes nuestra señal podrá ser visualizada digitalmente por la implementación de unos display que mostraran nuestra señal de contador.

27


Para la implementación de la interfaz de display se creo el circuito mostrado a continuación.

Dicha interfaz permite indicar el turno de espera en un establecimiento de 00 a 99.

El algoritmo que rige a la interfaz sigue los siguientes pasos.

• Confirma que inicialmente el circuito se pone a cero cuando se conecta la alimentación.

• Verifica que cada vez que se activa el pulsador S1 se incrementa en uno el visualizador.

• Comprueba que al cerrarse el interruptor S2 se pueden producir incrementos del turno sin que se visualicen, hasta que el interruptor S2 está de nuevo en circuito abierto.

DISPOSITIVO DETECTOR DE FALLAS.

• Utilice un OTDR (Reflectómetro en el Dominio del Tiempo) para identificar y medir la distancia en donde se produjo un corte o donde se dañó la fibra. Un OTDR es útil también para medir la longitud de los enlaces.

• Un OTDR es un dispositivo que envía pulsos a través de la fibra para medir y graficar sus reflexiones y discontinuidades

28


Se recomienda ampliamente hacer la prueba de atenuación con un OTDR para cada carrete de fibra óptica antes de la instalación. Todas las fibras a instalar deberían ser probadas. La prueba de atenuación consiste en comparar los datos de atenuación de la fibra especificados por el fabricante (generalmente en dB/km) con los datos obtenidos con el OTDR.

• En cuanto a la red, es muy importante asegurarse que a la entrada de cada nodo óptico la señal llegue con una potencia óptica de 0 dBm (decibeles referidos a 1 miliwatt).

• En un enlace óptico, los batidos de segundo y tercer orden generalmente no representan problema alguno. Los valores típicos para este tipo de distorsiones se encuentra por arriba de la norma: Sin importar la cantidad de canales ni la longitud del enlace, para la fibra óptica se tiene 60 dB aproximadamente para los batidos de segundo orden (CSO) y 65 dB para los de tercer orden (CTB). La Norma Oficial Mexicana para el cable especifica que el valor de los batidos no será menor a 47 dB y 51 dB en el sistema de cable.

• La mejor manera para conectar o unir dos fibras es mediante una fusión. Actualmente existen muchas marcas de fusionadoras.

29


• Recuerde que la pérdida máxima típica para un empalme mecánico no debe ser mayor de 0.25 dB, mientras que para una fusión el valor máximo de pérdida es de 0.1 dB [Figura 19]. Si sus valores exceden estos parámetros, revise el procedimiento de fusión o empalme y hágalo nuevamente.

• Ya sea en un empalme mecánico o en una fusión, gran parte del éxito depende de la calidad del corte. Asegúrese de contar con la herramienta adecuada para cortar la fibra con precisión.

• Es muy recomendable colocar mangas termocontraíbles en los empalmes por fusión. Esto ayudará a proteger la fibra de agentes externos.

30


CONCLUSIONES.

Con la elaboración de este dispositivo fue posible observar las partes fundamentales de la fibra óptica así como las características principales para una transmisión adecuada tomando en cuenta las principales componentes de una trasmisión o comunicación, en este caso por fibra óptica y por medio de pulsos luminosos como señala transmitir, se realizó el diseño e implementación de un transmisor componente encargada de emitir la señal eléctrica en forma de pulsos los cuales fueron transmitidos por un medio en este caso fibra óptica, dicha señales deben llegar al otro extremo del dispositivo para lo cual hemos diseñado e implementado un receptor el cual es un circuito fotosensible a la luz el cual captara los pulsos ópticos transmitidos y convertirá la señal entrante para poder ser visualizada de forma digital a través de múltiples displays.

31


Bibliografía.

Wayne Tomasi, Análisis De Sistemas de Comunicación, Mcgraw hill, 7ma. edición.

Jardon Hildelberto, Sistemas de Comunicaciones Por Faibras ópticas, Alfaomega, México D.F, 1992

32

Documents

fibra optica implementacion