FIBRA ÒPTICA

Maturin, Octubre del 2012

Instructor:Ing. Cristóbal Espinoza

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EVOLUCIÓN HISTÓRICA

• 1958: INVENCIÓN DEL LASER

• 1970: PRIMERA FIBRA ÓPTICA DE BAJAS PÉRDIDAS.

• 1975: PRIMER CABLE ÓPTICO COMERCIAL (CORNING INC)

• 1980: PRIMERA GENERACIÓN DE LOS SISTEMAS ÓPTICOS:

MULTIMODO 850nm. 2 dB/km.LASER Y LED de GaAs.

DIODOS PIN Y APD DE Si y Ge. 140Mb/s.12Kms.

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EVOLUCIÓN HISTÓRICA

• 1984: SEGUNDA GENERACIÓN: MULTIMODO 1300nm.

0.5 dB/km.LASER Y LED de InGaAsP. PIN Y APD DE Ge,

InGaAs y InGaAsP. 140Mb/s. 30Kms.

• 1986:TERCERA GENERACIÓN : MONOMODO 1300nm.

0.2dB/km.LASER Y LED de InGaAsP. DIODOS PIN Y APD DE

Ge y InGaAs. 565Mb/s. 60Kms.

EVOLUCIÓN HISTÓRICA

• 1987: CUARTA GENERACIÓN: MONOMODO 1550nm.

0.1 dB/km. LASER de InGaAsP. DIODO APD DE InGaAs.

565Mb/s. 120Kms.

• 1988:QUINTA GENERACIÓN : SISTEMAS COHERENTES DE

MODULACIÓN DIGITAL (FSK, ASK, PSK, DPSK). 300Kms.

• 1990:SEXTA GENERACIÓN : USO DE HALOGENOS EN LA

FABRICACIÓN DE FIBRAS. 0.01dB/Km.

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Arquitectura de las Redes Actuales

Arquitectura de las Redes Actuales

Adaptación Redes ActualesAdaptación Redes Actuales

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Red Óptica InteligenteRed Óptica Inteligente

Mejoras ya hoy en la capa óptica: Transmisión y Conmutación

Se trabaja en dotar de Inteligencia a los nodos ópticos

Definición de estándares para la interconexión de los elementos de datos

directamente a la capa óptica

Arquitectura de la Red Óptica Inteligente

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Solución de Futuro

REQUERIMIENTOS DE ANCHO DE BANDA7

Ancho de Banda es la medida de la capacidad de transporte de información de una línea de transmisión, va a depender de la frecuencia de operación

ANCHO DE BANDA

Los criterios establecidos por Fourier (Series y Transformadas) dicen que cualquier señal F(wt) se puede representar por un nivel constante, una señal F0(wt) llamada fundamental y una sumatorias de señales con frecuencias multiples de F(wt): F1(2wt) + F2(3wt)+ F3(4wt)+....

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ANALIZADOR DE ESPECTRO

MEDICIÓN DEL ANCHO DE BANDA

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FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSMISIÓN

ATENUACIÓN

RUIDO

DISPERSIÓN ( ISI)

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TEORÍA ÓPTICA

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Ventajas de la Fibra Óptica

Enorme ancho de banda Inmunidad a la interferencia electromagnética Tamaño y peso pequeño Rígido y flexible Baja perdida en la transmisión Seguridad en la señal que viaja en el cable Aislamiento eléctrico Potencial bajo costo

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DISPERSION DE LA LUZ ( FOURIER )

REFRACCION

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Índice de Refracción

El índice de refracción, n, es un numero adimensional que expresa la proporción de lavelocidad de la luz en el espacio al vacío (Co), y la velocidad de la luz (V) en un medioespecifico.

n = Co V

En el Vacío n = 1.0

V = Co

En un medio “X”n > 1.0

V < Co

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Índices de Refracción

Vacío 1.000

Aire 1.0003

Agua 1.33

Cuarzo 1.46

Vidrio 1.50

Diamante 2.00

Silicon 3.40

Índices de Refracción Típicos Algunos Materiales

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•Cuando el índice de refracción del segundo medio es mayor que el índice de refracción del primer medio (n2 > n1), el rayo de luz se

acerca a la normal.

•Cuando el índice de refracción del segundo medio es menor que el índice de refracción del primer medio (n2 <n1), el rayo de luz se

aleja de la normal.

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REFLEXION DE LA LUZ 21

El ángulo crítico viene dado por:

Apertura Numérica, Ángulo y Cono de Aceptancia

revestimiento

n = 1.0003

n = 1.470

núcleo

rayo de luz

cono de Aceptancia

normal

ángulo deaceptancia

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Analogía 1

Tubo de gran diámetro

Tubo de pequeño diámetro

Analogía 2

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Fibra Multimodo

revestimiento

n = 1.470núcleo

buffer

rayos de luz

rayos de luz

n = 1.003

Fibra Monomodo

revestimientonúcleo

buffer

rayo de luz

rayo de luz

Fibra de Índice Escalón

revestimiento

n = 1.470núcleo

buffer

rayos de luz

rayos de luz

n = 1.003

Fibra de Índice Gradual

revestimiento n

núcleo

buffer

rayos de luz

n 5n 4

n 3n 2

n 2n 3

n 4n 5

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Figura Nro. 22.- Dispersión Modal

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CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN DE LAS FIBRAS

ATENUACIÓN: REPRESENTA LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA LUMINOSA POR UNIDAD DE LONGITUD Y ESTÁN EXPRESADAS EN dB/km, A PARTIR DE LA RELACIÓN:

= (10/L) log (Po/ PL)donde: es el coeficiente de atenuación L la longitud de la fibra en kilómetros Po la potencia luminosa de entrada a la fibra PL la potencia luminosa de salida de la fibra

LA ATENUACIÓN AFECTA LA LONGITUD DEL ENLACE SIN REGENERADORES.

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VENTANAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICA

El coeficiente de atenuación (dB/Km) de la fibra depende de la longitud de onda. Tres ventanas de transmisión actualmente utilizadas:

en los alrededores de 0,85mFibras Multimodo: aproximadamente 2,5 dB/Km.Fibras Monomodo: aproximadamente 2 dB/Km.

en los alrededores de 1,30m Fibras Multimodo: aproximadamente 1 dB/Km. Fibras Monomodo: aproximadamente 0,4 dB/Km.

en los alrededores de 1,55m Fibras Monomodo: aproximadamente 0,2 dB/Km.

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VENTANAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICA

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CAUSAS DE LA ATENUACIÓN ÓPTICA

• ABSORCIÓN:* ULTRAVIOLETA* INFRAROJO* IONES METÁLICOS* IONES OH

• DISPERSIÓN DE RAYLEIGH

• IMPERFECCIONES DE LA FIBRA ÓPTICA (MICROCURVATURAS)

• CURVATURAS30

CAUSAS DE LA ATENUACIÓN ÓPTICA• ABSORCION :

– ULTRAVIOLETA (SiO2): 0.1 dB/Km a 0.8 m

0.05 dB/Km a 1 m

0.01 dB/Km a 1.5 m

– INFRAROJO (SiO2): 0,01 dB/Km a 1.5 m

1 dB/Km a 1.8 m– IONES METALICOS :1 PPM de Fe en SiO2 puede causar 130 dB/Km dc pérdidas en 0.85 m

– IONES OH: 1 dB/Km a 0.945 m

2.8 dB/Km a 1.24 m

65 dB/Km a 1.38 m

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CAUSAS DE LA ATENUACIÓN ÓPTICA

• DISPERSION DE RAYLEIGH:

Variaciones de la densidad y concentración de los materiales dopantes.

Varía en forma proporcional a -4

Ej: Fibra Multimodo (AN= 0.17 ; = 10-2):

* 1.6 dB/Km a 0.85 m

*0.47 dB/Km a 1.3 m

Ej: Fibra Monomodo ( = 10-2):

* 0.33 dB/Km a 1.3 m

*0.14 dB/Km a 1.55 m 32

DISPERSION DE RAYLEIGH

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CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN DE LAS FIBRAS

• DISPERSION : REPRESENTA EL ENSANCHAMIENTO Y LA DISTORSIÓN DE LOS PULSOS TRANSMITIDOS, HACIÉNDOSE INDISTINGUIBLES PARA EL FOTORECEPTOR.

LA DISPERSIÓN ES FUNCIÓN DE LA LONGITUD DE FIBRA: CUANTO MAYOR SEA SU LONGITUD MAYOR SERÁ SU EFECTO.

AFECTA EL ANCHO DE BANDA DEL SISTEMA Y POR ENDE A LA VELOCIDAD (bits/seg) Y A LA CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN (Número de canales a transmitir).

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MEDIDA DE LA DISPERSIÓN

SI EL IMPULSO DE ENTRADA ES GAUSSIANO DE ANCHO EFICAZ s1 (AL 50% DE T1), EL IMPULSO DE SALIDA TAMBIEN ES GAUSSIANO DE ANCHO EFICAZ s2 (AL 50% DE T2) :

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DISPERSIÓN EN LA FIBRA ÓPTICA

• DISPERSION TOTAL vs ANCHO DE BANDA DEL SISTEMA:

0,187

y B= T

T : ENSANCHAMIENTO EFICAZ TOTAL PRODUCIDO POR LA FIBRA

DOS CONTRIBUCIONES INDEPENDIENTES EN LA DISPERSION TOTAL:

• DISPERSION INTERMODAL (m ) (FIBRAS MULTIMODO)

• DISPERSION CROMATICA ( c ) :

*DEBIDA AL MATERIAL (MAT)

*DEBIDA A LA GUIA DE ONDAS (GO)

c = MAT + GO36

DISPERSION TOTAL vs LONGITUD DE FIBRA

T 2( L) = c

2 ( L) + m 2 ( L)

EN GENERAL SE EVALÚA LA DISPERSION EXPRESADA EN (ns / km) o

EN ( ps / km) Y LUEGO PARA LA LONGITUD TOTAL DE FIBRA (L en Kms.)

*DEPENDENCIA DE LA DISPERSION MODAL CON LA LONGITUD

m ( L) = m . L E

coeficiente de concatenación que toma en cuenta el acoplamiento entre los modos por causa de microcurvaturas, curvaturas, empalmes y conectores. Dado por el fabricante de la fibra y su valor está comprendido entre 0.5 y 1.

*DEPENDENCIA DE LA DISPERSION MODAL CON LA

LONGITUDc ( L) = c . L37

Dispersión Modal

Es el ensanchamiento de un pulso de luz debido a las múltiples rutas que toma en el núcleo de la fibra, y que ocasionan el retardo en la llegada de los distintos haces de luz que componen al pulso original.

revestimiento

núcleo

buffer

Fuente de luz

rayos de luz

fibra

DISPERSIÓN EN LA FIBRA

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DISPERSION INTERMODALOCASIONADA POR DIFERENCIA DE TIEMPOS QUE TARDAN LOS MODOS EN RECORRER LA FIBRA

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DISPERSION INTERMODAL

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Dispersión Cromática

Es el ensanchamiento de un pulso de luz ocasionado por su descomposición en distintas longitudes de onda cuando viaja en núcleo de la fibra. Debido a que cada longitud de onda tiene una velocidad distinta de propagación llegan en tiempos distintos en el extremo emisor.

fibra

y

1

y

2

1+2

y

1+2

y

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DISPERSION CROMÁTICA

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DISPERSION CROMÁTICA

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DISPERSION CROMÁTICA

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LED

ANCHO ESPECTRAL

LASER

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Características LED Laser

Ancho espectral 20-60 nm 0.5-6 nm

Corriente 50 mA 150 mA

Potencia de salida 5 mW 100 mW

Apertura númerica 0.4 0.25

Velocidad 100 MHz 2 GHz

Tiempo de vida 10,000 hrs. 50,000 hrs.

Costo $1.00- $1500 USD$100 - $10000 USD

Características típicas de los LEDs y los Lasers

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