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Sistemas de Transmisión Ópticos 01
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SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICOSINSTRUCTOR: VLADIMIR SÁNCHEZ P., M.SC.
¿Qué se transmite en sistemas de telecomunicaciones?
Voz
Datos
Video
Audio
Transferir información de un punto a otro
Rápido
Preciso
Seguridad
Escalabilidad
Lo deseable
Conmutable
Multiples capacidades de transmisión
Económico
Esquema genérico: Vista física
Source EncoderModulator/
transmitter
Receiver/
demodulator Decoder Receiver
Link
Cable
Microwave
Other wireless
Light
Smoke signals
Esquema genérico: Vista lógica
Source Interface Interface Receiver
Packet-switched network
¿Por qué redes ópticas?
Tiempos antiguos, Bell, LASER.
Capacidades actuales.
Comparación con otros medios de transmisión.
Aplicaciones
Redes ópticas y electrónicas
Modulator
Input signal Connector Optional optical amplifier
Amplifier Decoder
Output signal
Optical fiber Optical fiber
Light
Wavelength = 800-1600 nm
Electricity Electricity
Light source
Detector
Modulator
Input signal
Amplifier Decoder
Output signal
Electromagnetic Radiation Frequency = 100 Kz to 30 GHz Electricity Electricity
Trans-mitter
Detector Receiver
CSU/DSU
Input signal Optional repeater amplifier
CSU/DSU
Output signal
T1, T45 cable T1, T45 cable
Electricity
Op
tica
lE
lect
ron
icW
irel
ess
Transmisión básica en fibra
No es comunicación electrónica.
Transmisión básica en fibra
Una cadena de datos de bits en forma eléctrica se modula , codificando los datos para transmitirlos por fibra.
Una Fuente de luz es conducida por el modulador para ser conducida por la fibra.
La luz viaja por la fibra.
En el receptor la luz es detectada y convertida en forma eléctrica.
La señal es amplificada, aislando cambios de estado y problema de temporización.
En el dispositivo final se hace uso de la información recibida.
Transmisión básica en fibra
¿Cómo influiría el tipo de modulación a la señal de entrada/salida y cómo actuaría la luz en la guía de onda?
¿Esta transmisión puede ser bidireccional?
Algunas ventajas
Tamaño y peso
Capacidad de información
Interferencia electromagnética
Seguridad
Fiabilidad y mantenimiento
Expansión
Regeneración de señal
Algunas desventajas
Conversión óptica-eléctrica
Caminos homogéneos
Instalaciones especiales
Reparaciones
Agentes externos*
Expansión de redes de fibra óptica
http://www.submarinecablemap.com/
Terminología
o Lambda (): longitud de onda de la luz.
o SONET: Synchronous Optical Network—tecnología de transporte que enfatiza la seguridad en las transmisión sobre fibra.
o Fotónica: Relación de uso de dispositivos de luz en vez de electrónicos.
o Decibel (db): Unidad de pérdida o ganancia de potencia con respecto a la fuente. Calculado como 10 log10 (P/Pref)
Relación con Modelo TCP/IP
Relación con Modelo TCP/IP
Espectro electromagnético
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Espectro visible, experimento de Newton
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Tipos de ondas
Longitudinal (ondas sonoras)
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Tipos de ondas
Transversales (luz u ondas vía guía)
http://www.educaplus.org/play-127-Ondas-longitudinales-y-transversales.html
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Ondas de luz
La luz visible varia de la siguiente manera:
Longitud de onda azul: ~330 nm = 0.33 mm = 0.00033 mm
Longitud de onda roja: ~770 nm = 0.77 mm = 0.00077 mm
Comparación:
◦ El sonido varia de 1.7 cm to 20 m
◦ El orificio de una aguja esta entre 0.1 mm = 100 mm = 100,000 nm
◦ Un virus esta entre los 20-400 nm
Longitud más
grande (rojo)Longitud
menor (azul)
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Sensitividad a la vista del ser humano
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Espectro, rango de colores
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Espectro en la cercanía de la luz visible
Primera en 850 nm◦ Primera desarrollada, usada solo para
comunicación a corta distancia en fibra multimodo.
Segunda (Banda O) en 1310 nm(1260-1310 nm)◦ Baja atenuación comparada a la ventana de
850.
Siete regiones, llamadas “ventanas”, caen en longitud de ondas
infrarrojas, de baja atenuación en vidrio.
Tercera (Banda C) en 1550 nm(1530-1565 nm)– Superior a las dos anteriores.
Cuarta (Banda L) en 1625 nm(1565-1625) nm– Bajo desarrollo.
Otras bandas:
– E band (1360-1460 nm) – S band (1460-1530 nm) – U band (1625-1675 nm)
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Espectro en la cercanía de la luz visible
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Espectro en la cercanía de la luz visible
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Principios básicos ópticos
Propagación de la luz
Polarización
Reflexión
Refracción
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Luz como tipo de radiaciónE = cB
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Propagación de la luz
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Propagación de ondas
Demo
https://www.youtube.com/watch?v=Fu-aYnRkUgg
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Polarización
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Demo
http://ccnsb05-iiith.virtual-labs.ac.in/exp2/index.html
Polarización
https://www.youtube.com/watch?v=E9qpbt0v5Hw
https://www.youtube.com/watch?v=xiZ7vDisDKw
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PolarizaciónCampos rotan a medida que la onda se propaga
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Relaciones básicasFrecuencia n or f (Hz or cycles/second)
Frecuencia angular w = 2pf
Longitud de onda (m, cm, nm)
Número de onda k (sin dimensión), proporcional al # de ondas por unidad de longitud
Periodo T (segundos)
Amplitud A
Velocidad v (m/seg)
v = f
k = 2p/
Propagación de ondas:
y(x,t) = A sin (kx-kvt) = A sin (kx – wt)
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Reflexión
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Refracción
Demo
Ocurre cuando la luz entra a un medio con diferente velocidad.
– Se dobla en eje vertical si la velocidad es menor al nuevo
medio.
– Se dobla lejos del eje vertical si la velocidad es mayor en el
nuevo medio
Índice de refracción, denotado por n, esta dado por:
n = velocidad de la luz en el vacío/velocidad de la luz en el medio > 1
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Incident medium,
ni
qr
Incident ray
Refracted ray
refraction
medium, nr
qi
Snell’s Law for Light Entering a
Denser Medium
Incident medium,
ni
qr
Incident ray
Refracted ray
refraction
medium, nr
qi
Snell’s Law for Light Entering a
Less Dense Medium
Refracción
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Ley de Snell
rrii nn sinsin
Refracción
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n2 < n1
n1
Refracción de la luz
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Refracción y reflexión interna total
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Reflexión interna total
Critical Angle for Refraction Total Internal Reflection, qi > qcr
Reflected ray
Incident medium,
ni
qi
Incident ray
refraction medium,
nr < ni
Incident medium,
ni
qcr
Incident ray
Refracted ray
qr=90o
refraction medium,
nr < ni
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Demo
https://www.youtube.com/watch?v=BMG8Stpn1uc
Reflexión interna total
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Construcción de fibra óptica
n2 < n1
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Construcción de fibra óptica
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Propagación de luz en una fibra de vidrio
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Reflexión interna total en cables de fibra
Note que en el caso de la fibra óptica, el revestimiento no es conductor
Por ende, campos eléctricos y magnéticos de las ondas de luz penetran en ella cierta distancia.
Corte brusco se asume para un haz de luz en óptica geométrica.
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DispersiónExperimentos de Newton ilustraban la dispersión de la luz generadas por el Sol en un espectro(y recombinación en una luz blanca).
La luz del Sol consiste en una mezcla de diferentes longitudes de onda.
Un medio dispersivo es uno en el cual diferentes longitudes de onda de luz tienen ligeramentediferentes índices de refracción.
Una copa de cristal es un medio dispersivo dado que el índice de refracción de luz violeta esmayor que el de la luz roja.Aberración cromática.
Fabricantes de vidrio óptico habitualmente especifican el índice de refracción de un material para luzamarilla de sodio (Línea D).
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Dependencia del índice de refracción sobre
El índice de refracción no es constante.
Dado que el índice de refracción es determinado por la velocidad de la luz en el medio, se deduce que la velocidad de la luz en el medio es función de .
◦ Longitudes de ondas menores viajan a menor velocidad debido a que el índice de refracción es grande.
◦ Esto dará lugar a la dispersión de la información que es transmitida por las ondas de luz (llevándolas mas lejos).
◦ “Material de dispersión”
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Dependencia del índice de refracción sobre
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Dispersión de guía de onda La luz viaja tanto en el núcleo como en el revestimiento interno a
velocidades ligeramente diferentes (mas rápido en el revestimiento).
Efectos opuestos en el material and la dispersión de guía de onda.
Puede ser balanceado para permitir cero dispersión a una longitud de onda en particular, entre 1310nm and 1650 nm.
Este efecto total es denominado “dispersión cromática”.
Dispersión
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Efecto de dispersión cromática
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Interferencia de dos fuentes especificas◦ Se origina porque ondas de dos fuentes están en fase o fuera de fase,
dependiendo de la posición y distancia entre las mismas.
◦ Da lugar a una serie de alternancia de bandas claras y oscuras en destino a distancias fijas desde la fuente.
Relaciones básicas◦ Máxima en ángulo q dado por d sin q = m, m = 0, 1, 2…
◦ Mínima en ángulo q dado por d sin q = (m+1/2), m = 0, 1, 2…
Interferencia y difracción
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Interferencia: Experimento de Young
Nota: Principio con el que funciona el Laser
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Intensidad de patrones de interferencia
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Intensidad de patrones de interferencia
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InterferenciaRelaciones básicas
◦ Máxima del ángulo q dado por d sin q = m, m = 0, 1, 2…
◦ Mínima del ángulo q dado por d sin q = (m+1/2), m = 0, 1, 2…
Para luz roja a 650 nm, d = 0.2 mm = 2 x 10-4 m◦ Máxima del ángulo q = 0.00325 radianes = 0.186o
Para luz roja de 650 nm, d = 0.1 mm = 1 x 10-4 m◦ Máxima del ángulo q = 0.0065 radians = 0.372o
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Interferencia
◦ Calcular q
◦ Por trigonometría, y/D = tan q ~ q, de tal manera que y ~ Dq
◦ Para d=0.2 mm, D=10 m, de la diapositiva previa, q=0.00325, distancia al primer máximo y= 3.25 cm
◦ Para d= 0.1 mm, D=10 m, de la diapositiva previa, q=0.0065, distancia al primer máximo y= 6.5 cm
Laser
D
qy
Primer máximo
(m=1)
Distancia entre
aberturas=d
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Cancelación de reflexión de luz en fronteras
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Cancelación de reflexión de luz en fronteras
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Cancelación de reflexión de luz en fronteras
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Difracción
Origen
Naturaleza de la onda en limites definidos.
Es significante cuando la apertura ~ o cuando grandes aumentos están involucrados.Grandes aumentos amplifican los problemas.
En ultima instancia, limitación de resolución a través de microscopios.
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Cálculo en las relaciones de difracción
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Difracción
Opening ~ Opening >>
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Basic relationships◦ d sin q = m, m = 1, 2, 3, 4 gives angles of minimum intensity
◦ Solving for angle q, q = sin-1(m/a)
◦ I = I0 [sin (j/2)/(j /2)]2
◦ j =(2p/) a sin q
If a << , then angles for first several minima large
Note that if a >> , then angles for first several minima (m=1, 2…) very small
Difracción
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Recordar y/D = tan q, de tal manera que y = D tan q
Para luz roja de 650 nm, apertura a = 0.1 mm = 1 x 10-4 m◦ Angulo computado, q = sin-1(m/a) = sin-1(1 x 650 x 10-9/10-4) = sin-1(6.5 x 10-3) 0.0065 radianes
◦ Primer mínimo en q = 0.0065 radianes = 0.3724o
◦ Con D = 10 m, la distancia al primer mínimo y = (10m)(tan 0.0065) 10m x 0.00655 = 0.065 m = 6.5 cm
Laser
D
qy
Primer mínimoa
Difracción
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Patrón de difracción
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Rejillas de difracciónVarios números de líneas para amplificar los efectos de difracción.
Resultado: Dar forma a las máximas y mínimas de difracción.
◦ Importante: cambios de patrón para luz repetitiva; bandas oscuras con poca perdida de intensidad.
¿Para qué?
Proveer una manera de separar longitudes de onda de luz (y la información que se transmite).
More lines
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Estas rejilla se especifican en numero de líneas por nm.
Cálculos de máximos para rejillas de difracción sigue a la formula de interferencia de dos hendiduras, dado que las rejillas se visualizan como una larga fila de hendiduras.
◦ Recordar d sin q = m, donde la separación de hendidura es d = 1 / línea por mm
◦ Esto da el ángulo de la mth máxima.
◦ Proyección sobre objetivo a una distancia D daría y mD/d
◦ Mantener las distancias a las mismas unidades (mm, cm, o m)
Laser
D
qy
Primera máxima
Rejillas de difracción
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Ejemplo: 500 l/mm => d = 1/500 = 2 x 10-6 m
Si = 650 nm, D = 10 m, m = 1
Luego y = mD / d = 1 x 650 x 10-9 x 10/(2 x 10-6) = 3.25 m
Mezcla de azul y rojo incidentes en una rejilla de difracción.
Rejillas de difracción
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Dispersión (Scattering)Definición
◦ Los fotones interactúan con los materiales en un medio de propagación.
No lineal—no existe compensación◦ Problemas se superan en base a una fibra mejorada.
◦ Impurezas en la fibra: La luz egresa de la fibra o es absorbida en ángulos grandes.
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Tres tipos◦ Rayleigh: Causada por pequeñas variaciones en la densidad del vidrio debido a enfriamiento.
◦Variaciones menores a 1 conllevan a dispersión.
◦ Dispersión estimulada Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering, SBS): dispersión de luz “a espaldas” del transmisor.
◦ Causada por vibraciones mecánicas en fibra, lo cual puede inducir a cambios en índice de refracción (RI).
◦ Resultado: La fibra se convierte en rejilla de difracción.
◦ Problema en niveles amplios de potencia, ancho de líneas estrecha (Problema a potencias > 100 mW)
◦ Dispersión estimulada Raman (Stimulated Raman scattering, SRS): similar a SBS◦ Origen molecular en vez de vibraciones acústicas.
◦ Problema con múltiples longitudes de onda a altas potencias.
Dispersión (Scattering)
Métodos de modulación
¿Necesidad de la modular?
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On-Off Keying (OOK) — Más empleado
Codificación Multiestado (multinivel)
AM
FSK
PSK
PolSK (Polarity shift keying): Solo trabaja con luz
Métodos de modulación
Métodos de modulación
On-off keyingLa forma más sencilla de ASK
Portadora tiene dos estados, 0 o 1.
On-Off keying (variantes)Non-return to Zero (NRZ)
Non-return to Zero Inverted (NRZ-I)
Return to Zero (RZ)
Codificación Multinivel
•Referida como Pulse Amplitude Modulation (PAM)
•Características: Mayor transmisión en menor tiempo
•Diferentes niveles
Forma de pulso y ancho de banda
¿Que pasaría si los pulsos fueran perfectamente?
◦ Serie de Fourier para una onda cuadrad de longitud 1
1
4 1 4 sin(6 ) sin(10 ) sin(14 ) sin(18 )( ) sin 2 sin 2
2 1 3 5 7 9n
x x x xf x n x x
n
p p p p p p
p p
Ancho de canal de pulsos cuadrados > 10x frecuencia
◦ Consecuencia: Impondría carga intolerable para el receptor.
◦ 1 GHz de pulso cuadrado requeriría 10 GHz de respuesta de frecuencia.
◦ Requeriría también mayor espaciamiento de canal.
◦ La modulación generalmente requiere ancho de canal de = 2 x frecuencia contenida
◦ Por ende 10 GHz de pulso requerirá 200 GHz de ancho de canal en la portadora.
◦ En 1550 nm, se requeriría al menos 2.4 nm de ancho de canal.
◦ Solo se podrían ingresar unas 10 longitudes de onda en la banda de 1520-1560 nm
◦ (¿Practicidad en estos tiempos?)
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Forma de pulso y ancho de banda
Uso de forma de pulsos Gaussianos◦ ¿Duración de tiempo?
◦ Mucho más eficiente en el uso de ancho de banda.
◦ ¿Cuál podría ser el “contra”?
Forma de pulso y ancho de banda
Portadora modulada
80
Detección
81
