Parámetros de Pérdida en Fibra Óptica

Parámetros de Pérdida en Fibra Óptica

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Manual para el Curso de Tecnologías en Fibra Óptica Rodolfo Veloz Pérez

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Factores Intrínsecos Varios factores pueden causar atenuación, pero generalmente se clasifican como intrínsecos o extrínsecos. La atenuación intrínseca es causada por sustancias inherentemente presentes en la fibra, mientras que la atenuación extrínseca es causada por fuerzas externas como la flexión. El coeficiente de atenuación α se expresa en [dB/km] y representa la pérdida en decibeles por kilómetro de fibra.

La atenuación intrínseca resulta de materiales inherentes a la fibra. Es causada por impurezas en el vidrio durante el proceso de fabricación. Tan

PROCESO DE FABRICACIÓN DEL PREFORMADO, QUE DARÁ ORIGEN AL FILAMENTO DE FIBRA ÓPTICA.


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preciso como es la fabricación, no hay forma de eliminar todas las impurezas. Cuando una señal luminosa llega a una impureza en la fibra, ocurre una de estas dos cosas: se dispersa o se absorbe. La pérdida intrínseca se puede caracterizar aún más por dos componentes:

• Absorción

• Esparcimiento o Dispersión de Rayleigh

LA PRINCIPAL FUENTE DE ABSORCIÓN SON LOS RESIDUOS DE IONES DE HIDROXILO (OH-) Y DE DOPANTES QUE SE UTILIZAN PARA MODIFICAR EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN

DEL VIDRIO.


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Absorción

La absorción, o también conocida como absorción de material se produce como resultado de la imperfección e impurezas en la fibra. La impureza más común es la molécula de hidroxilo (OH-), que permanece como un residuo a pesar de las técnicas de fabricación estrictas. En las longitudes de onda de 950 nm, 1380 nm y 2730 nm, la presencia de radicales de hidroxilo en el material del cable provoca un aumento en la atenuación. Estos radicales resultan de la presencia de restos de agua que ingresan al material del cable de fibra óptica a través de una reacción química en el proceso de fabricación o como humedad en el ambiente. La variación de la atenuación con la longitud de onda es debido al “Peak de agua”. Para el cable de fibra óptica monomodo estándar, se produce principalmente alrededor de 1380 [nm]. Los avances recientes en la fabricación han superado el Peak de agua de 1380 [nm] y han dado lugar a fibras Zero Water Peak ZWPF.

CURVA CARACTERÍSTICA DEL SILICIO, DONDE SE APRECIA EL COEFICIENTE DE ATENUACIÓN EN FUNCIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA


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La absorción representa entre el 3% y el 5% de la atenuación de la fibra. Este fenómeno hace que una señal luminosa sea absorbida por las impurezas naturales en el vidrio y se convierta en energía de vibración o alguna otra forma de energía como el calor. A diferencia de la dispersión, la absorción puede limitarse controlando la cantidad de impurezas durante el proceso de fabricación. Debido a que la mayoría de la fibra es extremadamente pura, la fibra no se calienta debido a la absorción.


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Dispersión de Rayleigh

A medida que la luz viaja en el núcleo, interactúa con las moléculas de silicio en el núcleo. La dispersión de Rayleigh es el resultado de estas colisiones elásticas entre la onda de luz y las moléculas de silicio en la fibra. La dispersión de Rayleigh representa aproximadamente el 96% de la atenuación de la fibra óptica. Si la luz dispersada mantiene un ángulo que soporta el desplazamiento hacia delante dentro del núcleo, no se produce ninguna atenuación. Sin embargo, si la luz se dispersa en un ángulo que no es compatible con el avance continuo, la luz se desvía del núcleo y se produce una atenuación. Dependiendo del ángulo incidente, una parte de la luz se propaga hacia adelante y la otra parte se desvía de la trayectoria de propagación y se escapa del núcleo de la fibra. Parte de la luz dispersada se refleja hacia la fuente de luz. La dispersión de Rayleigh es la propiedad que se utiliza en el OTDR para probar las fibras, y el mismo principio para análisis de la pérdida asociada con eventos localizados en la fibra, como los empalmes (backscattering).

FENÓMENO DE ESPARCIMIENTO POR COLISIÓN DE LA LUZ CON PARTÍCULAS.


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Las longitudes de onda cortas se dispersan más que las longitudes de onda más largas. Cualquier longitud de onda que esté por debajo de 800 [nm] es inutilizable para la comunicación óptica porque la atenuación debida a la dispersión de Rayleigh es alta. Al mismo tiempo, la propagación por encima de 1700 [nm] no es posible debido a las altas pérdidas resultantes de la absorción infrarroja.

EL CIELO LO APRECIAMOS “AZUL” DEBIDO A LA DISPERSIÓN DE RAYLEIGH, EL MISMO FENÓMENO PRESENTE EN LA FIBRA ÓPTICA.


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Dispersión Modal

La dispersión modal es un fenómeno que afecta a las fibras multimodo. Debido a la trayectoria de los rayos de luz en el núcleo de la fibra óptica de índice escalonado o salto de índice, se produce un retardo en la transmisión de la señal, que genera una limitación del ancho de banda o también, distancia de transmisión. Los modos, siguen diferentes trayectorias, algunas más cerradas que otras, siempre dentro del cono de aceptación, y por ello algunos modos tardan más en recorrer el cable, puesto que la velocidad indistintamente es la misma para todos los rayos. Como cada modo sigue una trayectoria diferente, la longitud de los caminos varía y también lo hace el tiempo necesario para recorrerlos, llegando en momentos diferentes al final del cable. De esta forma, cada pulso de señal que es enviado por el equipo transmisor sale deformado a la salida, ensanchándose, y lógicamente, por la distancia y los distintos eventos de la red, pierde amplitud. Al ensancharse el modo, el intervalo para la transmisión se incrementa, se hace más largo, y provoca que pulsos consecutivos lleguen a superponerse. Si la dispersión modal sigue aumentando, llegará un momento en que el sistema no podrá distinguir los cambios, lo que se llama interferencia entre símbolos. Es decir, tenemos un aumento de la tasa de bit erróneos y por lo tanto un menor ancho de banda. Mientras más dispersión modal exista, menor ancho de banda se tiene, pues los pulsos se harán más anchos y para “solucionar” hay que aumentar el intervalo de transmisión para que el equipo receptor pueda reconocer la señal, haciendo que se transmita menos bits por unidad de tiempo.


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Dispersión Material

La dispersión del material se debe a que el índice de refracción del material es función de la longitud de onda. Por comodidad se suele definir el índice de grupo

𝑛" =𝑐𝑣"= 𝑛 − '𝜆 ⋅

𝑑𝑛𝑑𝜆+

donde vg es la velocidad de propagación de grupo. Obsérvese que el tiempo de propagación de las distintas longitudes de onda es distinto. Luego, existe una dispersión a la salida del modo de propagación debido a que las La dispersión del material se debe a que el índice de refracción del material es función de la longitud de onda. El tiempo de propagación de las distintas longitudes de onda es distinto. Luego, existe una dispersión a la salida del


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modo de propagación debido a que las longitudes de onda que lo componen tienen velocidades diferentes. Cuando el índice de refracción disminuye la velocidad aumenta y el tiempo de propagación es menor. Existe un valor de longitud de onda cercana a 1300 [nm] donde la dispersión del material es nula. En otras palabras, cerca de 1300 [nm] los tiempos de propagación de las distintas longitudes de onda tienden a ser iguales. El valor de λ para el cual la dispersión material es cero, se denomina longitud de onda cero dispersiones y depende del material. El valor aumenta con el incremento de la concentración de GeO2 y disminuye con el incremento de B2O3. El ancho de banda resultante será función inversa de la dispersión material. El ancho de banda se reduce cuando la fuente de luz tiene un ancho espectral grande, por lo que se buscará reducir dicho valor mediante el uso de emisores Láser.


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Dispersión por guía de onda

El confinamiento de la luz en una guía de onda conduce a vectores de onda que se inclinan en contra de la dirección de propagación. Esto afecta el retardo de fase por unidad de longitud y, por lo tanto, las propiedades de dispersión cromática. La forma o perfil de la fibra tienen un efecto significativo sobre la velocidad de grupo. Esto ese debido a que los campos eléctrico y magnéticos que forman parte de un pulso de luz se extiende fuera del núcleo. Esta cantidad que los campos comparten entre el revestimiento y el núcleo tiene una fuerte dependencia de la longitud de onda. A mayor longitud de onda mayor es la cantidad de la onda electromagnética se extiende sobre el revestimiento. El Índice de Refracción que experimenta la longitud de onda es un promedio proporcional del Índice de Refracción del Núcleo y el revestimiento, dependiendo de la proporción que viaja en cada una de las partes. Dado que una mayor proporción de las ondas de longitudes cortas están confinadas en el núcleo, las longitudes de ondas cortas ven un mayor Índice de Refracción que las longitudes de ondas largas, ya que el Índice de Refracción de núcleo es mayor que el del revestimiento.


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Dispersión cromática

En el caso de enlaces con fibra monomodo, los pulsos de luz propagándose a lo largo de la fibra experimentan una deformación debido al ancho de espectral de la señal óptica. Este fenómeno se llama dispersión cromática y es en realidad la combinación de dos tipos de dispersión:

• Dispersión material

• Dispersión de guía de onda La dispersión cromática se caracteriza normalmente por los parámetros siguientes:

• Dc: Coeficiente de dispersión cromática en [ps / (nm x km)]

• W: Ancho espectral de la fuente de luz a -3 [dB] El coeficiente de dispersión cromática, se explica por un pulso de luz de ancho espectral W propagándose sobre L kilómetros que experimenta un ensanchamiento cromático. Se dice entonces, que el sistema óptico genera un ensanchamiento cromático EC de: EC = DC x W x L

Pulso de entrada

Pulso de salida dispersado y atenuado

Fibra Óptica


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Obviamente se debe respetar ciertas condiciones sobre este ensanchamiento de pulso de manera a asegurar una buena detección digital en recepción. Si uno observa en recepción el diagrama de ojo para varios valores de ensanchamiento de pulso (dispersión), se puede ver que a medida que la dispersión aumenta, el ojo se cierra progresivamente y resulta más difícil proceder a una buena sincronización de ritmo utilizado para tomar las muestras y mantener la tas de error prefijada. En realidad, si el ojo está parcialmente cerrado, esto implica que para mantener la tasa de error al mismo valor nominal, se debe aumentar la potencia en recepción de manera compensar esta situación. Dicho de otra manera, una dispersión, que corresponde a un ensanchamiento de pulsos, implica una penalidad en [dB] en el diseño del sistema. Normalmente, un margen de potencia de 1 [dB] se suele reservar para tener en cuenta los efectos de la dispersión cromática. El coeficiente de dispersión cromática DC depende del tipo de fibra utilizada y del valor de la longitud de onda (nm) de la fuete óptica. En fibras estándar NDSF (Non Dispersión Shifted Fiber) se tiene que la dispersión cromática es mínima alrededor de los 1300 nm, por lo cual los sistemas que estén funcionando en esta ventana óptica tienen una DC baja, del orden de 1.5 a 3 [ps /(nm x km)]. Si se usa una fuente de luz, en la tercera ventana óptica (1550 nm), el coeficiente de dispersión cromática es mucho mayor, típicamente de 17 y 20 [ps/ (nm x km)] para estas fibras estándar NDSF. En las fibras llamadas de dispersión desplazadas DSF (Dispersión Shifted Fiber) se modifica el perfil del índice de refracción de la fibra óptica, de tal manera que la dispersión cromática es mínima en la tercera ventana, por lo cual trabajando en la longitud de onda de 1550 [nm], se presenta un bajo valor de DC, tan solo de algunos [ps/(nm x km)]. Esta fibra tiene la ventaja de combinar una atenuación y una dispersión mínima.


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El valor del parámetro W, el ancho espectral de fuente, está dado por el fabricante. Los diodos LED tienen valores W bastante altos (30 nm o más), mientras que los láser tienen anchos espectrales mucho más pequeños. Un láser para multimodo tiene típicamente un ancho espectral de 1 a 4 [nm]. Por otro lado, un láser DFB (Distributed Feedback Laser, Laser de Retroalimentación Distribuída) puede tener W por debajo de los [nm], 0,1 [nm] por ejemplo, y permite minimizar mucho la dispersión cromática. La dispersión cromática entonces, es la propagación de un pulso de luz a medida que se desplaza por una fibra. La luz tiene una naturaleza dual y puede considerarse desde una onda electromagnética así como desde una perspectiva cuántica. Esto nos permite cuantificarlo como ondas y también como partículas cuánticas. Durante la propagación de la luz, todas sus componentes espectrales se propagan en consecuencia. Estos componentes espectrales viajan a diferentes velocidades de grupo que conducen a una dispersión llamada dispersión de velocidad de grupo (GVD). La dispersión resultante de la GVD se denomina dispersión cromática debido a su dependencia de la longitud de onda. El efecto de la dispersión cromática es la propagación del pulso. A medida que los pulsos se propagan, o se amplían, tienden a superponerse y el receptor ya no los puede distinguir como 0 y 1. Los pulsos de luz lanzados juntos (altas tasas de datos) que se propagan demasiado (alta dispersión) dan como resultado errores y pérdida de información. La dispersión cromática se produce como resultado del rango de longitudes de onda presentes en la fuente de luz. La luz de los láseres y los LED consiste en un rango de longitudes de onda, cada una de las cuales viaja a una velocidad ligeramente diferente. A lo largo de la distancia, las velocidades variables de longitud de onda hacen que el pulso de luz se propague en el tiempo. Esto es de suma importancia en aplicaciones de modo único. La dispersión modal es significativa en aplicaciones multimodo, en las que los distintos modos de luz que viajan por la fibra llegan al receptor en diferentes momentos, lo que provoca un efecto de propagación. La dispersión cromática es común a todas las velocidades de bits. La dispersión cromática se puede compensar o


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mitigar mediante el uso de fibra desplazada por dispersión, conocida como DSF. La DSF es fibra dopada con impurezas que tienen características de dispersión negativas.


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Dispersión por modo de polarización

La dispersión de modo de polarización (PMD) es causada por distorsiones asimétricas de la fibra desde una geometría cilíndrica perfecta. La fibra no es realmente una guía de onda cilíndrica, pero puede describirse mejor como un cilindro imperfecto con dimensiones físicas que no son perfectamente constantes. La tensión mecánica ejercida sobre la fibra debido a los dobleces y tensiones extrínsecamente causadas durante el cableado, el despliegue y el empalme, así como las imperfecciones resultantes del proceso de fabricación son las razones de las variaciones en la geometría cilíndrica. Los componentes y la fibra óptica monomodo admiten un modo fundamental, que consta de dos modos de polarización ortogonal. Esta asimetría introduce pequeñas diferencias en el índice de refracción para los dos estados de polarización. Esta característica se conoce como birrefringencia. La birrefringencia hace que un modo de polarización viaje más rápido que

DISPERSION PRODUCTO DE LA PMD


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el otro, lo que resulta en una diferencia en el tiempo de propagación, que se denomina retardo de grupo diferencial (DGD). El DGD es la unidad que se utiliza para describir la PMD. DGD se mide típicamente en [ps]. Una fibra que adquiere birrefringencia hace que un impulso de propagación pierda el equilibrio entre los componentes de polarización. Esto conduce a una etapa en la que diferentes componentes de polarización viajan a diferentes velocidades, creando una dispersión de pulso. PMD se puede clasificar como PMD de primer orden, también conocido como DGD, y PMD de segundo orden (SOPMD, Second Order Polarized Mode Polarization). El SOPMD resulta de la dispersión que se produce debido a la dependencia de la longitud de onda de la señal y al ancho espectral. PMD no representa un problema a velocidades de transmisión bajas, pero se convierte en un problema a velocidades de transmisión de datos superiores a 5 [Gbps]. La PMD es notable a altas velocidades y es una fuente importante de deterioro para los sistemas de ultra larga distancia. La compensación de PMD se puede lograr utilizando compensadores de PMD que contienen fibras que mantienen la dispersión con grados de birrefringencia en ellas. La birrefringencia introducida evita los efectos de la PMD a lo largo de una transmisión. Para una transmisión sin errores, la compensación de PMD es una técnica útil para redes de larga distancia y de área metropolitana que funcionan a velocidades de bits superiores a 10 [Gbps].

Manual para el Curso de Tecnologías en Fibra Óptica

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Factores Extrínsecos En condiciones dinámicas que se presentan en el curso de su instalación, la fibra es sometida a ciertos esfuerzos debidos a la tensión (mecánica) y al curvado del cable. Los elementos de resistencia mecánica del cable y el radio de curvatura de instalación deben seleccionarse de modo que limiten este esfuerzo dinámico combinado. Si en una instalación de cable deben quedar algunas curvaturas, su radio deberá ser lo suficientemente grande como para que la pérdida por macrocurvatura o la deformación de larga duración que limita la vida útil de la fibra se mantengan dentro de límites admisibles. La atenuación extrínseca puede ser causada por dos mecanismos externos:

• Macrocurvaturas

• Microcurvaturas Ambos provocan una reducción de la potencia óptica. Si se impone una curva en una fibra óptica, la tensión se coloca en la fibra a lo largo de la región que está doblada. La tensión de flexión afecta el índice de refracción y el ángulo crítico del rayo de luz en esa área específica. Como resultado, la luz que viaja en el núcleo puede refractarse y se produce una pérdida. Cuando la curva de la fibra es menor que el radio crítico, la velocidad de fase del modo debe aumentar a una velocidad mayor que la velocidad de la luz para que todos los rayos de luz tengan el mismo frente onda. Claramente, esto teóricamente ya que no es posible - hasta ahora - superar la velocidad de la luz, por lo que al no poder elevar la velocidad a una mayor, se provoca que algunos modos dentro de la fibra se conviertan en modos de orden superior. Estos modos de orden superior se pierden o irradian fuera de la fibra.


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Macrocurvatura

Como se especifica en las recomendaciones de la UIT-T, En condiciones dinámicas que se presentan durante la instalación del cable, la fibra es sometida a ciertos esfuerzos debidos a la tensión (mecánica) y al curvado del cable. Los elementos de resistencia mecánica del cable y el radio de curvatura de instalación deben seleccionarse de modo que limiten este esfuerzo dinámico combinado. Si en una instalación de cable deben quedar algunas curvaturas, su radio deberá ser lo suficientemente grande como para que la pérdida por macrocurvatura o la deformación de larga duración que limita la vida útil de la fibra se mantengan dentro de límites admisibles. Una Macrocurvatura es una curva a gran escala que es visible, y la pérdida es generalmente reversible después de que se corrigen las curvas. Estas

LA LUZ CERCA DEL RADIO EXTERIOR DE LA CURVA NO PUEDE MANTENER EL MISMO PERFIL ESPACIAL DE MODO SIN EXCEDER LA VELOCIDAD DE LA LUZ. Y POR LO TANTO,

LA ENERGÍA SE PIERDE EN EL ENTORNO COMO RADIACIÓN.


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pérdidas son ocasionadas por factores extrínsecos que producen curvaturas pequeñas en la fibra, dependiendo de las limitaciones existentes en su construcción, la cual provoca que los modos logren escapar del núcleo debido a que superan el ángulo máximo de incidencia admitido para que exista la reflexión total interna. Estas pérdidas son extrínsecas y aparecen cuando el radio de curvatura es menor que el radio de curvatura especificado. Un radio de curvatura reducido, más allá de lo especificado hace escapar a los modos de mayor orden del núcleo y, por lo tanto, provoca pérdida de señal. Para evitar las macrocurvaturas, los cables de fibras ópticas tienen una especificación de radio de curvatura mínima que no debe excederse. Esta es una restricción sobre cuánto puede doblar un filamento antes de experimentar problemas en el rendimiento óptico o la confiabilidad mecánica. Según el Estándar TIA-568, el radio de curvatura máximo permitido es: Radio de curvatura para Cables que contengan hasta 4 filamentos:

• 50 [mm] el diámetro del cable, cuando está bajo tensión

• 25 [mm] el diámetro del cable, cuando está libre de tensión

Radio de curvatura para Cables que contengan más de 4 filamentos:

• 20 veces el diámetro exterior del cable, cuando está bajo tensión

• 10 veces el diámetro exterior del cable, cuando está libre de tensión


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Consideraremos “bajo tensión”, al proceso de tendido e instalación de los cables, y libre de tensión cuando éstos ya están instalados.


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Microcurvatura

La microcurvatura es causada por imperfecciones en la geometría cilíndrica de la fibra durante el proceso de fabricación, como los cambios menores en el diámetro del núcleo, o límites desiguales entre el núcleo y el revestimiento. La microcurvatura puede estar relacionada con la temperatura, la tensión de tracción, torsión o la fuerza de aplastamiento. Al igual que la macrocurvatura, la microcurvatura causa una reducción de la potencia óptica en el vidrio. La microcurvatura está muy localizada y la curva no puede ser claramente visible en la inspección. Según especificaciones de la UIT-T, se llama microcurvatura a un curvado acusado de una fibra óptica que entrañe un desplazamiento axial local de unas cuantas micras en pequeñas distancias a causa de fuerzas laterales localizadas aplicadas a lo largo de la fibra. Puede deberse a las deformaciones a que se someten las fibras durante la fabricación e instalación, y también a las variaciones de las dimensiones de los materiales del cable que resultan de los cambios de temperatura durante la explotación. Las microcurvaturas pueden incrementar las pérdidas ópticas. A fin de reducir la pérdida por microcurvatura, debe eliminarse todo esfuerzo mecánico aplicado aleatoriamente a lo largo del eje de la fibra durante el proceso de incorporación de la misma en el cable, así como durante y después de la instalación del cable.

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Ancho de Banda Modal: Limitaciones de ANSI / TIA-568-C.3, ISO / IEC 11801 y ITU Serie G

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