Manual Veneta 1

TELECOMUNICACIONES

Fibras pticas mdulo MCM40/EV

Tomo 1/2 Teora y Ejercicios

Manual PROFESOR / ALUMNO

MC4001S0.DOC

NDICENORMAS de SEGURIDADLeccin 960: DESCRIPCIN del MDULO 960.1 Identificacin de los componentes 960.2 Descripcin Leccin 961: La FIBRA PTICA (I) 961.1 Introduccin 961.2 Estructura constructiva 961.3 Propagacin de la luz en las fibras pticas 961.4 Apertura numrica 961.5 EJERCICIOS 961.6 CUESTIONARIO Leccin 962: La FIBRA PTICA (II) 962.1 Modos de propagacin 962.2 Dispersin modal 962.3 Reduccin de la dispersin: fibras de ndice gradual y monomodo 962.4 Dispersin cromtica 962.5 Atenuacin 962.6 Ancho de Banda 962.7 Ficha de resumen de las fibras pticas 962.8 Caractersticas de las fibras pticas en dotacin 962.9 CUESTIONARIO Leccin 963: ACOPLAMIENTOS 963.1 Introduccin 963.2 Empalmes 963.2.1 Prdidas en los empalmes 963.2.2 Empalmes por fusin 963.2.3 Empalmes mecnicos 963.3 Conectores 963.4 EJERCICIOS 963.4.1 Atenuacin de la fibra ptica 963.4.2 Prdidas de acoplamiento 963.4.3 Atenuacin de la fibra ptica en funcin de la longitud de onda 963.5 CUESTIONARIO Leccin 964: FUENTES PTICAS 964.1 Introduccin 964.2 LED 964.3 Diodo Lser 964.4 Acoplamiento fuente-fibra 964.5 Ficha de resumen de las fuentes pticas 964.6 EJERCICIOS 964.6.1 Potencia ptica emitida por el Led 964.6.2 Curvas caractersticas del Led 964.7 CUESTIONARIO

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Leccin 965: DETECTORES PTICOS 965.1 Introduccin 965.2 Fotodiodo PN y PIN 965.3 Fotodiodo de avalancha 965.4 Acoplamiento fibra-detector 965.5 Amplificacin de la seal detectada 965.6 Ficha de resumen de los detectores pticos 965.7 EJERCICIOS 965.7.1 Responsividad del detector ptico 965.8 CUESTIONARIO Leccin 966: INTRODUCCIN a los SISTEMAS de COMUNICACIN 966.1 Introduccin 966.2 Sistemas de comunicacin digital 966.3 Sistemas de comunicacin analgica 966.4 Dimensionamiento de una conexin 966.4.1 Margen de potencia 966.4.2 Ejemplo de clculo de una conexin 966.5 CUESTIONARIO Leccin 967: SISTEMA de COMUNICACIN DIGITAL 967.1 NOCIONES TERICAS 967.1.1 Transmisor 967.1.2 Receptor 967.2 EJERCICIOS 967.2.1 Corriente de prepolarizacin del Led 967.2.2 Ajuste de la potencia emitida 967.2.3 Formas de onda de la seal transmitida 967.2.4 Longitud de onda de trabajo 967.2.5 Formas de onda del receptor 967.2.6 Utilizacin de varios tipos de fibras 967.3 CUESTIONARIO Leccin 968: CODIFICACIN y TRANSMISIN DE DATOS 968.1 NOCIONES TERICAS 968.1.1 Codificador Manchester/Bifase 968.1.2 Decodificador Manchester/Bifase Receptor 968.1.3 Interfaz V24/RS232C 968.2 EJERCICIOS 968.2.1 Secuencias de datos 968.2.2 Codificadores 968.2.3 Realizacin de la conexin 968.2.4 Transmisin de datos con PC Leccin 969: MULTIPLEXACIN de las SEALES DIGITALES 969.1 NOCIONES TERICAS 969.1.1 Diagrama de bloques del sistema Multiplex/Demultiplex 969.1.2 Multiplexor 969.1.3 Demultiplexor 969.2 EJERCICIOS 969.2.1 Formas de onda del Multiplexor y del Codificador 969.2.2 Realizacin de la conexin

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Leccin 970: TRANSMISIN de las SEALES ANALGICAS 970.1 NOCIONES TERICAS 970.1.1 Descripcin general 970.1.2 Modulador de FM - Transmisor 970.1.3 Demodulador de FM - Receptor 970.2 EJERCICIOS 970.2.1 Modulador de FM 970.2.2 Realizacin de la conexin 970.2.3 Demodulador de FM 970.2.4 Ejemplo de conexin audio Leccin 971: SISTEMA de COMUNICACIN AUDIO/VDEO 971.1 NOCIONES TERICAS 971.1.1 Descripcin general 971.1.2 Driver analgico 971.1.3 Receptor analgico 971.1.4 Multiplexor de audio/vdeo 971.1.5 Demultiplexor de audio/vdeo 971.1.6 Fuentes de audio y generador de vdeo 971.2 EJERCICIOS 971.2.1 Multiplexor de audio/vdeo 971.2.2 Transmisor analgico: punto de trabajo del Led 971.2.3 Realizacin de la conexin APNDICE A: UNIDADES de MEDIDA de la POTENCIA PTICA APNDICE B: HOJAS TCNICAS de los COMPONENTES PTICOS

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TOMO 2/2: MANUAL de SERVICIO1 2 3 4 5 6 DESEMBALAJE e INSPECCIN INSTALACIN PUESTA en SERVICIO DESCRIPCIN de los DIAGRAMAS ELCTRICOS MANTENIMIENTO RESPUESTAS al CUESTIONARIO

NORMAS de SEGURIDAD

NORMAS de SEGURIDADConservar el presente manual para cualquier consulta adicional. Tras haber quitado el embalaje, poner a un lado todos los accesorios de modo que no se pierdan. Verificar que el mdulo se presente ntegro y sin daos visibles. Antes de proporcionar la tensin de alimentacin de 12V al mdulo, verificar que los cables de alimentacin estn conectados correctamente a la fuente de alimentacin. Este mdulo deber destinarse slo para el uso para el cual ha sido manifiestamente concebido; es decir, como equipo didctico, y deber utilizarse bajo el directo control por parte de personal experto. Cualquier otro uso deber considerarse impropio y por lo tanto peligroso. El fabricante no podr considerarse responsable de eventuales daos debidos a un uso impropio, inexacto o irrazonable del mdulo. PRECAUCIONES Cuando se utilizan fibras pticas y componentes pticos se recomienda respetar las siguientes advertencias de carcter general: 1. No mirar en el interior del conector de las fuentes pticas cuando stas estn en funcin; aunque no se vea nada, la longitud de onda emitida podra resultar fuera del campo visible, lo que podra constituir un peligro para la vista. No doblar los cables pticos con curvas demasiado estrechas, ya que la fibra que se encuentra en su interior podra interrumpirse o daarse. El radio de curvatura mnimo es de unos 2 cm. Al finalizar los ejercicios introducir las especiales caperuzas en los conectores de los cables pticos, con el fin de proteger contra el polvo la fibra que se apoya sobre los conectores. De vez en cuando limpiar la cabeza de los conectores con algodn embebido en alcohol. Manejar con MUCHO CUIDADO los pedazos de fibra sin conectores. Los fragmentos de fibra desnuda sin cubierta pueden resultar peligrosos si entran en contacto con los ojos, la piel o si se ingieren.

2. 3. 4. 5.

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Leccin 960: Descripcin del mdulo

LECCIN 960: DESCRIPCIN del MDULO960.1 IDENTIFICACIN de los COMPONENTES El sistema didctico para el estudio de las fibras pticas comprende (fig.960.1): mdulo MCM40 cable ptico #1: fibra de plstico, de ndice abrupto, 1000m, longitud 1.5m cable ptico #2: fibra de plstico, de ndice abrupto, 1000m, longitud 5m cable ptico #3: fibra de vidrio, de ndice abrupto, 200/230m, longitud 3m cable ptico #4: fibra de vidrio, de ndice gradual, 50/125m, longitud 3m cable ptico #5: fibra de vidrio, monomodo, 10/125m, longitud 3m cable ptico #6: cordn en fibra de plstico con conectores ST Snap_In HP n.1 adaptador ST-ST n.1 micrfono.

Accesorio opcional: Medidor de potencia ptica.

fig.960.1 Mdulo MCM40 y accesorios -2-


960.2 DESCRIPCIN del MDULO El mdulo MCM40 (fig.960.2) consta de las siguientes secciones: Fuentes de seal: generador de datos TTL: 0/1/0&1/4x0&4x1 generador de audio de 1 kHz micrfono generador de vdeo interfaz RS232 tensin continua Codificadores de seal: codificador de datos: Manchester; Bifase Mark/Space multiplexor de datos TDM de 8 canales multiplexor vdeo+audio, constituido por un modulador de audio (FM a 5.5 MHz) y un combinador de audio+vdeo modulador de FM de portadora impulsiva Circuitos para el gobierno digital y analgico de fuentes pticas Fuentes pticas de Led de 660nm y 820nm Detectores pticos de Fotodiodo de 660nm y 820nm Receptor digital y analgico Decodificadores de seal: decodificador de datos: Manchester; Bifase Mark/Space demultiplexor de datos TDM de 8 canales demultiplexor vdeo/audio, constituido por circuito separador y demodulador de audio (FM de 5,5 MHz) demodulador de FM de portadora impulsiva Amplificador de audio con altavoz. Las diferentes secciones pueden conectarse entre s, tal como se explica en los ejercicios, para realizar circuitos y sistemas de comunicacin por fibra ptica. El mdulo se alimenta a 12V a travs del conector B (fig.960.2) o los cables individuales. Abordo del mdulo se extrae una tensin de +5V de la tensin de +12V. El conector A debe conectarse a una de las Unidades de control individual SIS1/SIS1C, SIS2 o SIS3 (vase Manual de Servicio, Tomo 2/2). El conector C (Add-on) lleva indicadas las tensiones de alimentacin y las seales utilizadas por el Multiplexor y el Demultiplexor TDM (vase descripcin diagramas elctricos, Manual de Servicio, Tomo 2/2). La utilizacin del conector se reserva para eventuales aplicaciones futuras. Los interruptores SW (si estn presentes) cumplen la misma funcin que la Unidad de control SIS1/EV. Introducen averas en el funcionamiento de los circuitos, se accionan de acuerdo a lo descrito en los ejercicios y deben posicionarse en OFF al comienzo de cada ejercicio.

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fig.960.2 Diagrama de bloques del Mdulo MCM40

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Leccin 961: La Fibra ptica (I)

LECCIN 961: La FIBRA PTICA (I)Objetivos

Describir la estructura constructiva de la fibra ptica. Describir cmo se propaga la luz en el interior de la fibra ptica. Introducir el concepto de ngulo de aceptacin y apertura numrica.

Material

Unidad de alimentacin PSU o PS1 Caja de soporte de los mdulos Unidad de control individual SIS1, SIS2 o SIS3 Mdulo de experimentacin MCM40

961.1 Introduccin Por lo general en los sistemas de comunicacin tradicionales la informacin se transmite a travs de seales elctricas o electromagnticas; en los ltimos aos se ha desarrollado una tcnica en la cual la informacin se transmite a travs de seales pticas. El elemento bsico de estos sistemas es el soporte que contiene la seal ptica, guindola desde una fuente hasta un destino; este soporte es la fibra ptica. Los sistemas de comunicacin por fibra ptica presentan numerosas ventajas con respecto a los sistemas de comunicacin por cable, entre ellas: mayor ancho de banda y, por consiguiente, mayor capacidad de transmisin mayor inmunidad a las perturbaciones electromagnticas ausencia de irradiaciones menores dimensiones menor atenuacin, lo que permite conexiones a distancias superiores sin amplificaciones intermedias. Los componentes esenciales que caracterizan comunicacin por fibra ptica son (fig. 961.1): el cable de fibra ptica el interfaz electro-ptico y la fuente ptica el detector ptico y el interfaz ptico-elctrico. un sistema de

fig.961.1 Sistema de comunicacin por fibra ptica

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961.2 Estructura constructiva Los materiales utilizados para la construccin de las fibras pticas tienen que ser transparentes en relacin a la luz emitida por la fuente luminosa utilizada en el transmisor. Es importante precisar que el trmino fibra ptica es muy genrico y se refiere a un conjunto de fibras formadas por materiales diferentes (vidrio, plstico, etc.), dimensiones diferentes y sobre todo prestaciones diferentes (por ejemplo, atenuacin desde menos de 1 db/km hasta algunos centenares de db/km). Fibra desnuda La estructura bsica que permite la propagacin de la luz se denomina fibra desnuda y consta del ncleo (Core) y el revestimiento (Cladding). Ya que es mecnicamente sumamente frgil, es fortalecida con varias cubiertas de proteccin, obteniendo el cable ptico monofibra. Uniendo varios cables monofibra se obtienen cables pticos mltiples. La fibra y el cable ptico no estn constituidos por un solo material homogneo, sino por capas concntricas de materiales con caractersticas diferentes; en el centro se encuentra el Ncleo (fig.961.2), constituido por un cilindro de material transparente con un determinado ndice de refraccin n1 y entorno a l presenta una capa, coaxial y en estrecho contacto con el Ncleo mismo, constituida por un material tambin transparente pero con un ndice de refraccin n2 inferior al del Ncleo. Esta condicin resulta necesaria, como veremos en el prximo apartado, para delimitar la energa luminosa en el interior del ncleo. Esta segunda capa es el Revestimiento, que completa la estructura de la fibra desde el punto de vista del funcionamiento como gua ptica. Obsrvese que Ncleo y Revestimiento son indivisibles, y normalmente estn constituidos por el mismo material (vidrio-vidrio o plsticoplstico); en algunos casos, como por ejemplo en las fibras PCS (Plastic Clad Silica) pueden ser de material diferente (ncleo de vidrio y revestimiento de plstico). Las dimensiones tpicas del Ncleo y del Revestimiento en las fibras pticas comerciales son: Fibras de plstico: ncleo = 480, 1000 m revestimiento = 500, 1000 m Fibras de ndice abrupto: ncleo = 100, 200 m revestimiento = 140, 230 m Fibras de ndice gradual: ncleo = 50, 62.5 m revestimiento = 125 m Fibras monomodo: ncleo = 10 m revestimiento = 125 m. En la terminologa corriente las dimensiones del ncleo y del revestimiento se indican con los valores de los dos dimetros (expresados en m) separados por una barra. Ejemplo: la indicacin fibra 50/125 indica una fibra con ncleo de dimetro 50m y revestimiento de dimetro 125m.-6-

Ncleo y Revestimiento


Cubiertas

La fibra desnuda mecnicamente es demasiado frgil, por lo que se le aplican varias capas de cubiertas para robustecerla. Tpicamente se tiene (fig.961.2): cubierta primaria, en resina de epoxi (dimetro 250 m para fibras con revestimiento 125 m) cubierta intermedia, en silicona (dimetro 410 m) cubierta secundaria, en material plstico (dimetro 900 m). La fibra desnuda recubierta constituye el elemento bsico para la construccin de los cables pticos monofibra o mltiples.

Cables pticos monofibra

El cable ptico monofibra, que contiene la fibra bsica formada por el ncleo, el revestimiento y la cubierta primaria, principalmente se realiza con dos tipos de estructuras: estructura holgada (fig.961.3a) estructura ceida (fig.961.3b). En el primer caso, la fibra se introduce en un tubo de plstico, a veces relleno con un compuesto a base de poliuretano para evitar las infiltraciones de agua; esta estructura, utilizada para conexiones de larga distancia, permite que la fibra goce de un determinado movimiento, facilitando de esta forma la compensacin de dilataciones o contracciones debidas a variaciones de temperatura o esfuerzos mecnicos. En el segundo caso, se aplica a la fibra otros elementos de proteccin como conductos de refuerzo y camisas exteriores.

Cable pticos mltiples

Adems del cable ptico monofibra, se construyen tambin cables pticos mltiples que podrn incluir tanto pocas fibras como varios centenares de fibras. La figura 961.4 muestra la estructura de un cable de 56 fibras.

fig.961.2 Estructura de una fibra ptica con cubiertas -7-


fig.961.3 Estructura de los cables pticos monofibra: a) cable holgado; b) cable ceido

fig.961.4 Estructura de un cable ptico mltiple

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961.3 Propagacin de la luz en las fibras pticas Para describir la propagacin de la luz en el interior de la fibra ptica se considera la fibra de ndice abrupto (step-index), cuyo ndice de refraccin presenta una variacin escalonada entre revestimiento y ncleo, y adems permanece constante dentro del ncleo. Seguidamente se describirn otros dos tipos de fibra, la fibra monomodo y la fibra de ndice gradual (graded-index). La propagacin de la luz en el interior de la fibra podr analizarse, con buena aproximacin, mediante las leyes de la ptica geomtrica (un estudio pormenorizado requerira la utilizacin de las ecuaciones de Maxwell). En base a estas leyes se puede afirmar que la luz se propaga gracias a las reflexiones que los rayos luminosos sufren en la zona lmite entre las dos zonas de ndice de refraccin diferente (ncleo y revestimiento). Sean: n0 = 1 = ndice de refraccin del aire n1 = ndice de refraccin del ncleo n2 = ndice de refraccin del revestimiento. La fig.961.5 muestra un rayo luminoso que del aire entra en el ncleo de la fibra con un ngulo de incidencia 0 con respecto al eje de la fibra misma. Este rayo es refractado por la superficie aire-ncleo y entra en el ncleo con un ngulo 1 , diferente que 0 y determinado por la Ley de Snell: n0 sen 0 = n1 sen 1 [961.1]

La propagacin del rayo en el interior de la fibra depende del ngulo con el cual el rayo mismo incide sobre la superficie de separacin ncleorevestimiento. Si dicho ngulo es inferior a un determinado valor C (ngulo crtico) no sufre refraccin, pero se refleja totalmente y por consiguiente se propaga: este rayo se denomina guiado; en cambio, aquellos rayos que encuentran la superficie ncleo-revestimiento con un ngulo superior a C sern refractados incluso parcialmente, perdiendo de esta forma energa en un espacio muy pequeo (rayos radiantes) o despus de un determinado nmero de reflexiones (rayos leaky). Tambin la refraccin sobre la superficie de separacin ncleorevestimiento se realiza mediante la Ley de Snell. El ngulo crtico se obtiene imponiendo que el rayo sea refractado con un ngulo de 0 con respecto al eje de la fibra (fig.961.6). Sean: 90- 1 = ngulo de incidencia sobre la superficie ncleo-revestimiento 90- 2 = ngulo de refraccin. Aplicando la ley de Snell se obtiene: n1 sen(901 ) = n2 sen(902 )-9-

[961.2]


Imponiendo 2 = 0 se obtiene: n1 sen(90c ) = n2 sen(90 ) = n2 de donde: por lo que: sen(90c ) = n2 / n1cos( c ) = n2 / n1

[961.3] [961.4] [961.5]

En la fig.961.6a 1>C y se tiene refraccin, en la fig.961.6b 1=C y el rayo refractado es paralelo a la superficie ncleo-revestimiento y en la fig.961.6c 1n2) para cada modo de propagacin existe un valor de V, denominado Frecuencia de Corte VC, por debajo del cual no se tiene propagacin- 16 -

Leccin 962: La Fibra ptica (II)

el primer modo, denominado tambin "fundamental", tiene VC=0 y el segundo VC=2.405. Los modos superiores tienen frecuencias de corte VC crecientes.

fig.962.1 Modos de propagacin

Dado el valor de V, que depende nicamente de la geometra de la fibra y de los parmetros de la misma, la energa luminosa se propagar en el interior de la fibra slo a travs de aquellos modos que tienen una Frecuencia de Corte Vc inferior a V. Consideremos un ejemplo con los siguientes valores numricos: = 1.5 m r = 5 m NA = 0.15

Se extrae: V 3.14. A travs del grfico de la fig.962.1 y considerando V=3.14, se deduce lo siguiente: la energa luminosa se propaga slo segn los modos indicados con HE11, TE01, TM01, HE21 el ndice de Refraccin Efectivo nef correspondiente al modo HE11 es inferior a los correspondientes a los dems modos, lo cual significa que dicho modo se propaga con una velocidad superior a la de los dems (recurdese que la velocidad de propagacin de la luz en el interior de un medio es inversamente proporcional al ndice de refraccin del medio mismo). Multimodo y monomodo En base al nmero de modos activos, las fibras se dividen en multimodo o monomodo. La fibra monomodo deber tener V

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