Unidad 5_ Fibra Óptica 1ª Parte Constitución y tipos

UNIDAD 5 Fibras Ópticas -Sistemas de telefonía fija y móvil-

TEMA 5 1ª Parte FIBRA ÓPTICA

Constitución y tipos de fibra óptica

INDICE0. Introducción1. Luz visible e infrarroja.2. Constitución de las fibras ópticas. Modos de propagación.3. Tipos de fibra óptica.4. Ventajas y desventajas de las fibras ópticas.5. Emisores ópticos.6. Receptores ópticos.

0. INTRODUCCIÓNEl primer intento de utilizar la luz como soporte para una transmisión fue realizado por Alexander Graham Bell, en el año 1880. Utilizó un haz de luz para llevar información, pero se evidenció que la transmisión de las ondas de luz por la atmósfera de la tierra no es práctica debido a que el vapor de agua, oxigeno y partículas en el aire absorben y atenúan las señales en las frecuencias de luz.

Se ha buscado entonces la forma de transmitir usando una línea de transmisión de alta confiabilidad que no reciba perturbaciones desde el exterior, una guía de fibra llamada Fibra óptica la cual transmite información lumínica.

La fibra óptica puede decirse que fue obtenida en 1951, con una atenuación de 1000 dB/Km. (al incrementar la distancia 3 metros la potencia de luz disminuía ½), estas perdidas restringía, las transmisiones ópticas a distancias cortas. En 1970, la compañía de CORNING GLASS de Estados Unidos fabricó un prototipo de fibra óptica de baja perdida, con 20 dB/Km. Luego se consiguieron fibras de 7 dB/Km. (1972), 2.5 dB/Km. (1973), 0.47 dB/Km. (1976), 0.2 dB/Km. (1979). Por tanto a finales de los años 70 y a principios de los 80, el avance tecnológico en la fabricación de cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores, abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de alta calidad, alta capacidad y eficiencia. Este desarrollo se vio apoyado por diodos emisores de luz LEDs, Fotodiodos y LASER (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación).

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Esquema de trasmisión por FO

1. LUZ VISIBLE E INFRAROJASegún el espectro electromagnético, la luz visible se encuentra comprendida en el entorno de 400 y 750 nm; por encima de estas señales están las infrarrojas, utilizadas como fuentes de energía luminosa, que necesitan un soporte para su transmisión. Las señales según su longitud de onda se clasifican en “ventanas”, siendo la señal de referencia la primera ventana de 850 nm, 1300 nm para la segunda y de 1550 nm para la tercera (a medida que aumenta la longitud de onda disminuye la atenuación por kilómetro). Esto exige portadores de características más exigentes. Actualmente se están experimentando con nuevos emisores y receptores de señales que permitan ampliar los límites hoy en día establecidos (cuarta ventana).

Espectro de señales (LONGITUG DE ONDA) y ventanas

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Ventanas en la fibra óptica

2. CONSTITUCIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS. MODOS DE PROPAGACIÓN.

La Fibra Óptica es una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto, formada por un material dieléctrico (material que no tiene conductividad eléctrica como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy pocas pérdidas incluso cuando esté curvada. Está formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (el núcleo o core se construye de elevadísima pureza con el propósito de obtener una mínima atenuación) y el exterior llamado revestimiento o cladding que cubre el contorno (se construye con requisitos menos rigurosos), ambos tienen diferente índice de refracción (n2 del revestimiento es de 0.2 a 0.3 % inferior al del núcleo n1).

El diámetro exterior del revestimiento es de 0.1μm aproximadamente y el diámetro del núcleo que transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros.

Este conjunto va protegido por una capa de silicona o materia similar, que constituye la protección primaria. Sobre ésta suele aplicarse otro material plástico de protección denominado material protector secundario.Las medidas más utilizadas de la FO son de 50/125μm, 62.5/125μm para multimodo y de 9/125μm para monomodo, posteriormente tratadas.

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Funda plástica: 900 µm

Protección primaria: 250 µm Fibra: 125 µm

El estudio de la propagación de la luz mediante una FO se realiza a partir de las dos teorías diferentes:

• La modal, o del campo electromagnético.

• La geométrica, o del rayo de luz.En la teoría modal se estudia la propagación de la luz a partir de la ECUACIONES DE MAXWELL, aplicando la teoría general de los campos electromagnéticos; cada <<modo>> es una solución de dichas ecuaciones, transportando una cantidad discreta de energía. El inconveniente que presenta esta teoría es el de su complejo tratamiento matemático así como su difícil interpretación física, de ahí que, para poder hacernos una idea intuitiva de la propagación de la luz a través de la FO, es más aconsejable acudir a la teoría geométrica.En la teoría geométrica los rayos de luz que entran en el núcleo de una fibra son mantenidos constantemente en su interior, debido a las reflexiones sucesivas que se originan en la frontera de separación entre el núcleo y la envoltura.El núcleo constituye, pues, el soporte físico de la radiación óptica, mientras que la envoltura o revestimiento ayuda al confinamiento de dicha radiación en el núcleo.El fenómeno de guiado está basado en la teoría de <<reflexión total>>, y establece que cuando un rayo se propaga en un medio e incide en la superficie de separación

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con otro medio de índice de refracción diferente, se pueden producir fenómenos de refracción o de reflexión, según que el ángulo de incidencia del rayo sea inferior o superior al conocido como ángulo límite. Algunos parámetros de las fibras ópticas a tener en cuenta son:

Parámetros geométricos:– Diámetro del núcleo.– Diámetro del revestimiento o cubierta.– Diámetro del recubrimiento primario.

Parámetros estructurales:– Apertura numérica.– Perfil de la fibra óptica.– Longitud de onda límite.

Parámetros fundamentales de transmisión:– Coeficiente de atenuación.

– Dispersión total / ancho de banda.

3. TIPOS DE FIBRA ÓPTICA.Las podemos clasificar atendiendo a dos conceptos

3.1. Clasificación atendiendo a la distribución del índice de refracción del núcleo.

Se pueden clasificar en:

• Fibras de salto de índice: Caracterizadas por tener un índice de refracción constante a lo largo del diámetro del núcleo.

Son aquellas en las que al movernos sobre el diámetro AB, el índice de refracción toma un valor constante n2 desde el punto A hasta el punto donde termina el revestimiento y empieza el núcleo. En ese

punto se produce un salto con un valor n1 > n2 donde también es constante a lo largo de todo el núcleo. Este tipo de perfil se representa de forma escalonada y es utilizado en las fibras monomodo.

En las fibras de salto de índice multimodo la dispersión del haz de luz ocasionado por retardo de los distintos caminos de los modos de propagación, limita en ancho de banda

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• Fibras de índice gradual: en las que el índice de refracción del núcleo no es constante a lo largo del diámetro de la FO, sino que sigue una distribución a lo largo del diámetro con una ley casi parabólica, de manera que, disminuyendo a medida que nos alejamos del eje y nos acercamos a la envoltura. Debido a este perfil del índice de refracción, los diferentes rayos de luz se propagan con trayectorias serpenteantes, produciendo el efecto de ecualizar los caminos ópticos recorridos por los distintos rayos que se propagan en la fibra, de manera que el retardo relativo entre los nodos es mucho menor que el tipo de salto de índice, produciendo una mejora sustancial en la dispersión y un aumento en el ancho de banda capaz de transmitir. Actualmente este tipo de fibra es el más utilizado en telecomunicaciones.

3.2. Clasificación atendiendo a las dimensiones y modos de transmisión.Se clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación, este es proporcional a las dimensiones del núcleo: Fibras Multimodo y Fibras Monomodo.

• Fibras ópticas Multimodo: Son aquellas que pueden guiar y transmitir varios rayos de luz por sucesivas reflexiones, (modos de propagación). Los modos son formas de ondas admisibles, la palabra modo significa trayectoria. Debido a que el diámetro de su núcleo es tal que, a la longitud de onda de emisión considerada, es posible la propagación de numerosos

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modos simultáneamente, con diferentes trayectorias que suponen un retardo relativo entre ellos.

Esto implica que al introducirse un impulso luminoso en la fibra, su energía se distribuye entre los diferentes modos de propagación, y dado que en el extremo receptor existe un retardo relativo entre todos ellos, al tener trayectorias diferentes, se produce un efecto de dispersión total del pulso, ensanchándose respecto al de entrada. A este efecto se le conoce como <<dispersión modal>>, cuya consecuencia es una disminución del acho de banda y de la limitación del ancho de banda a retransmitir.

• Fibras ópticas Monomodo: Son aquellas que por su especial diseño pueden guiar y transmitir un solo rayo de luz (un modo de propagación) y tiene la particularidad de poseer un ancho de banda elevadísimo. Esto es debido a que el diámetro del núcleo llega a ser del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la luz que se transmite. En estas fibras monomodo cuando se aplica el emisor de luz, el aprovechamiento es mínimo, también el costo es más elevado, la fabricación difícil y los acoples deben ser perfectos.

En este tipo de fibras, al haber un solo modo, no existe el retardo relativo y por tanto la dispersión es mínima, por ello en ancho de banda es mayor.

Ejemplos de fibras con diferentes índices de refracción y modos son los siguientes:

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Un parámetro importante de las fibras ópticas es la Apertura Numérica (NA): Determina el ángulo máximo de luz incidente => Sólo la luz incidente bajo la NA se propaga por la fibra. Depende de los índices de refracción n1 y n2.

La apertura numérica será:

Otro parámetro a tener en cuenta es la atenuación: Disminución o pérdida de potencia de luz inyectada en la fibra con la distancia.

La atenuación A(λ) a una λ entre dos secciones transversales de una FO. 1 y 2 separadas una distancia L se define como:

A(λ)=10log (P1(λ)/P2(λ)) (dB)

En el siguiente dibujo podemos ver otros fenómenos que también provocan atenuación:

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4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA.Algunas de las ventajas respecto a otros soportes (como los conductores metálicos) son las siguientes:

• Gran ancho de banda: gracias a técnicas de multiplexación por división de frecuencias (X-WDM), que permiten enviar hasta 100 haces de luz (cada uno con una longitud de onda diferente) a una velocidad de 10 Gb/s cada uno por una misma fibra, se llegan a obtener velocidades de transmisión totales de 10 Tb/s.

• Mínima atenuación : las señales que se propagan por ellas se atenúan en menor medida que las señales transmitidas mediante cables convencionales, esto permite mayores distancias y utilizando menores repetidores en rutas nacionales e incluso sin repetidores en rutas urbanas.

• Facilidad y menor costo de instalación : debido al pequeño diámetro, reducido peso y escaso radio de curvatura.

• Inmunidad a las interferencias electromagnéticas e insensibilidad a la diafonía debido a la naturaleza óptica de las señales transmitidas las interferencias electromagnéticas no las perturban ni degradan su calidad, así como no perturban a las fibras próximas.

• Disponibilidad a las materias primas : el 25% de la corteza terrestre serviría como materia prima para su fabricación.

• No existe la distorsión de amplitud y prácticamente es inexistente la distorsión de fase.

• Mejor estabilidad de los parámetros de transmisión frente a variaciones climáticas.

A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:

• La alta fragilidad de las fibras.

• Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.

• Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

• No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

• La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

• La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.

• No existen memorias ópticas.

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Tabla comparativa con otros medios de transmisión:

5. EMISORES ÓPTICOS.La radiación luminosa que se propaga por las fibras ópticas debe cumplir una serie de requisitos para obtener un adecuado rendimiento del sistema de transmisión óptica.Las prestaciones de estos tipos de sistemas están en función de la potencia y la longitud de onda de la señal luminosa radiada, de manera que la elección del emisor de luz adecuado para transmitir una determinada señal debe tener en cuenta no solo sus parámetros característico, sino, además, el comportamiento en la fibra portadora de la radiación y el rendimiento con el que la señal es inyectada y extraída de dicho medio.Las fuentes (emisores) han de emitir luz a una longitud de onda concordante con una de las ventanas de bajas pérdidas en la fibra, otros requisitos que deben cumplir son:

• Alta fiabilidad con los cambios de temperatura.

• Alta potencia de salida y pureza espectral suficiente en los casos de largas secciones de regeneración.

• Bajo consumo.

• Pequeño tamaño.

• La fuente debe admitir en su interior la modulación a la velocidad de transmisión del sistema, aunque últimamente puede obviarse esta condición acudiendo a moduladores exteriores al propia fuente.

Los tipos de emisores que ofrecen más interés son:

• Diodos electroluminiscentes o LED.

• Diodos láser.

diodo LED diodo LASER

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Los materiales utilizados para su construcción son derivados de arseniuro de galio dopado con otros elementos.Desde el punto de vista electrónico los dos tipos de emisores funcionan bajo la unión polarizada P-N, verificándose el proceso de emisión espontánea para los LED y emisión estimulada para los láser.Las razones por las que se utilizan estos son las siguientes:

• La intensidad que generan es directamente modulable por la señal eléctrica a transmitir.

• Poseen una superficie radiante, comparable a la aceptadora de la fibra óptica

• Son compactos y robustos.

• Fácilmente integrables en una cápsula con conexión debido a su reducido tamaño.

• Su coste es relativamente bajo.Las diferencias entre ambos tipos son:

• El láser tiene una anchura espectral más estrecha, es un dispositivo no muy lineal, por lo que la modulación en amplitud no es muy recomendable, en cambio, un LED tiene la anchura espectral mayor, por lo que admite modulación de señales digitales y analógicas.

• Para modular un LED se necesitan bajas corrientes, sin embargo, el láser requiere técnicas complejas.

• La duración de los diodos láser es mucho menor que la de los LED y los costes de estos últimos son mucho menores.

Las nuevas tecnologías en la transmisión óptica están desarrollando la transmisión multicanal o también llamada multiplexación en longitud de onda (WDM) asociada a la evolución de los dispositivos ópticos. Estas nuevas tecnologías se basan en la multiplexación de varias longitudes de onda en una sola ventana, concretamente en la tercera, que permitirá aumentar su rendimiento en rutas con este tipo de fibras.

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Longitud de onda ( )FIGURA 39

ANCHO ESPECTRALDEL DIODO LED

Potencia

600 uW

300 uW

50 nm

Pmax

Pmax

2

Longitud de onda ( )

FIGURA 42

ANCHO ESPECTRALDEL DIODO LASER

Potencia

10 mW

5 mW1 nm

Pmax

Pmax

2


Longitudes de ondaDiodo LED Diodo láser

850 nm 1300nm1300 nm 1550 nm

Ancho espectralDiodo LED Diodo láser40-80 nm 1-2 nm

6. RECEPTORES ÓPTICOS.La función de un receptor óptico consiste en convertir señales luminosas en eléctricas, en el equipo terminal de línea o en los repetidores intermedios. Para que la distancia admisible entre el emisor y el receptor sea máxima, es preciso que este último sea de alto rendimiento, es decir de respuesta rápida y bajo nivel de ruido, con el fin de lograr la adecuada relación señal/ruido y una baja tasa de errores, con un mínimo de potencia óptica recibida.Por otra parte, otros requisitos que debe cumplir los receptores son:

• Funcionar a temperatura ambiente.

• Deben ser alimentados por una fuente de bajo consumo.

• Poseer pequeñas dimensiones.

• Ser ligeros.

• Ser fiables.

• Tener precio reducido

Entre los dispositivos fotosensibles, los que más se acomodan a los requisitos son:

• Los fotodetectores (PIN).

• Los fotodiodos de avalancha (APD).Ambos están basados en el efecto fotoeléctrico, que se produce en una unión de semiconductores PN polarizada inversamente.Cuando incide la luz en un sobre la superficie de un fotodiodo, se produce sobre el circuito de carga una corriente eléctrica cuya intensidad es proporcional a la potencia luminosa incidente.El diodo PIN origina un electrón por cada fotón, mientras que el APD produce entre 10 y 100 electrones por cada fotón incidente.

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El parámetro más significativo de un fotodetector es la SENSIBILIDAD, que se define como el nivel de potencia luminosa mínima que se puede detectar para asegurar una relación señal/ruido o tasa de error determinada.

Esquema de circuito y respuesta espectral del fotodiodo

ENLACES A VIDEOS

Historia de la FO: http://www.youtube.com/watch?v=sajnYVTGKYw

Así se hace (Las FO): http://www.youtube.com/watch?v=sFq8kwYorKc

Cómo funciona la FO: http://politube.upv.es/play.php?vid=53559

Proyecto FO: http://www.youtube.com/watch?v=GxfH3ESULFk

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http://www.youtube.com/watch?v=GxfH3ESULFk

http://politube.upv.es/play.php?vid=53559

http://www.youtube.com/watch?v=sFq8kwYorKc

http://www.youtube.com/watch?v=sajnYVTGKYw

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