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Institución Universitaria de Envigado Facultad de Ingenierías Ingeniería Electrónica Docente: José Jaime Cárdenas Tamayo.

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1 Institución Universitaria de Envigado Facultad de Ingenierías Ingeniería Electrónica Docente: José Jaime Cárdenas Tamayo

2 Ley de Snell Reflexión Refracción Tipos de Fibra: -Índice Escalonado - Índice Gradual Modos de Transmisión: -Multimodo -Monomodo Espectro lumínico Ventanas de Tx

3 Fabricación Cables - Tipos - Código de colores Tipos de Conectores Empalmes Pérdidas Dispersión Dispositivos Normas Catálogo Equipos de medición

4 Método por fusión de vidrio

5 Si, además, se imprime al quemador un movimiento de vaivén en sentido, se obtiene por capas, una preforma porosa de vidrio Método OVD (Outside Vapor Deposition)

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7 El colapso (contracción) de la preforma se produce con la ayuda de un calefactor anular a continuación de la deposición, quedando la preforma transparente. Para secar la preforma, es decir, eliminar la humedad residual, se hace circular cloro gaseoso en torno de la misma. Método VAD (Vapor Axial Deposition)

8 El propio tubo constituye la sección externa del vidrio del recubrimiento y las capas que se depositan en su interior conforman la sección interna del recubrimiento y del núcleo. Método M-VCD (Modified Chemical Vapor Deposition)

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10 Dado que a la llama de plasma se le imprime un rápido movimiento de vaivén a lo largo del tubo, se pueden producir más de 1000 capas delgadas, lo cual permite incrementar la exactitud del perfil de índices de refracción. Método PCVD (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition)

11 Estirado de la FO

12 Núcleo (1) Elemento Central de Refuerzo (E.C.R.) dieléctrico compuesto de fibra de vidrio, recubierto con polietileno en función del número de fibras del cable. (2) Tubos Activos Holgados de PBT, conteniendo de 2 a 12 f.o. Cubierta (3) (P) Primera cubierta de Polietileno. (4) (K) Cabos de fibra de aramida de elevado módulo, como elemento de refuerzo resistente a la tracción. (5) (ES) Acero copolímero corrugado como elemento de refuerzo a la tracción y protección antirroedores. (6) (P) Segunda cubierta de Polietileno. Tipo PAL

13 Cable Auto-soportado

14 Cable Submarino Tipo Pack

15 Cable Tipo Ribbon (Cinta Listón)

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18 Conectores por Fibra Desnuda

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20 Conectores por Alineación de Virola

21 Conectores según tipo de conectorización ST (una marca registrada de AT&T) Tiene una montadura de bayoneta y una férula larga y cilíndrica de 2.5 mm usualmente de cerámica o polímero para sostener a la fibra. Y debido a que tienen un resorte interno, se debe asegurar que se insertan adecuadamente. Si tiene pérdidas altas, se procedes a conectarlos nuevamente para ver si se tiene una mejor conexión y menor pérdida. El conector SC es un conector de broche, también con una férula de 2.5 mm. que es ampliamente utilizado por su excelente desempeño. Fue el conector estandarizado en TIA-568-A, pero no fue utilizado ampliamente en un principio porque tenía un costo del doble de un ST. En la actualidad es solo un poco más costoso y más común, ya que se conecta con un movimiento simple de inserción que atora el conector. También existen configuraciones duplex.

22 Conectores según tipo de conectorización El FC fue uno de los conectores monomodo más populares durante muchos años. También utiliza una férula de 2.5 mm., pero algunos de los primeros utilizaban cerámica dentro de las férulas de acero inoxidable. Se atornilla firmemente, pero debe asegurarse que tienen la guía alineada adecuadamente en la ranura antes de apretarlo. Ha sido reemplazado por los SCs y los LCs. El LC es un conector con factor de forma pequeña que utiliza una férula de 1.25 mm., de la mitad del tamaño que el SC. Es un conector que utiliza en forma estándar una férula cerámica, de fácil terminación con cualquier adhesivo. De buen desempeño, altamente favorecido para uso monomodo.

23 Conectores según tipo de conectorización Además del conector SC Duplex, ocasionalmente puede ver los conectores dúplex FDDI y ESCON que son apropiados para sus redes específicas. Usualmente son utilizados para conectar equipos hasta una salida en la pared, pero el resto de la red tendrá conectores ST o SC. Debido a que ambos utilizan férulas de 2.5 mm., pueden ser acoplados a los conectores SC o ST con adaptadores para estos conectores. FDDI - arriba – tiene una cubierta fija sobre las férulas ESCON - abajo – la cubierta sobre las férulas tiene un resorte que permite que esta cubierta se retraiga

24 Conectores según tipo de conectorización

25 Acabado de las caras del extremo de la fibra

26 Empalme Mecánico simple

27 Por Pegamento

28 Por pegamiento por Manguito

29 Múltiple Mecánico

30 Térmico Simple

31 Térmico Simple (descripción)

32 Los rayos que viajan en una fibra óptica disponen siempre de diferentes caminos para llegar de un extremo a otro de la fibra. Como es posible que cada uno de estos caminos tenga una velocidad diferente, dependiendo del índice de refracción y de la longitud de onda, se producirán ensanchamientos temporales de los pulsos cuyo efecto se acumula con la distancia. Este conjunto de efectos forman un parámetro llamado dispersión, que define la capacidad máxima de información que, por unidad de longitud, se puede transmitir por una fibra óptica, por lo que puede medirse en términos de retardo relativo o de la máxima frecuencia pasante que admite. Dispersión en las fibras ópticas

33 DISPERSIÓN INTERMODAL Las distintas velocidades y direcciones asociadas a las longitudes de onda que viajan en la fibra pueden permitir la propagación de diferentes modos y que el número de ellos es tanto mayor sea el núcleo de la fibra. Esto implica que dos rayos de la misma longitud de onda que incidan simultáneamente, pero con distintas direcciones, llegarán en momentos diferentes al receptor. Es un parámetro característico de las fibras multimodo. Para evitar este tipo de dispersión, se usa fibras multimodo de índice gradual. (no se presenta en fibras ópticas monomodo).

34 Es el principal causante de la dispersión, y consiste en que el índice de refracción del silicio, material usado para fabricar las fibras ópticas, depende de la frecuencia. Por ello, las componentes de distinta frecuencia, viajan a velocidades diferentes por el silicio. Aún en ausencia de dispersión material, es decir, aunque los índices de refracción del núcleo y del revestimiento sean independientes de la longitud de onda, si la longitud de onda varía, seguiría produciéndose el fenómeno de la dispersión debido a la dispersión por guiado de onda. DISPERSIÓN DEL MATERIAL

35 Para comprender esta componente hay que recordar que la potencia de un modo se propaga parcialmente por el núcleo y parcialmente por el revestimiento. El índice efectivo de un modo se sitúa entre el índice de refracción del núcleo y del revestimiento, acercándose más a uno u otro dependiendo de cuál sea el porcentaje de la potencia que se propaga por ellos (si la mayor parte de la potencia está contenida en el núcleo, el índice efectivo estará más cerca del índice de refracción del núcleo). La distribución de la potencia de un modo entre el núcleo y el revestimiento depende de la longitud de onda, si la longitud de onda cambia, la distribución de potencia también cambia, provocando un cambio en el índice efectivo o constante de propagación del modo. DISPERSIÓN EN GUIA DE ONDA

36 La Dispersión por Modo de Polarización, PMD, es un efecto de dispersión óptico, que limita la calidad de la transmisión en los enlaces de fibra óptica. Su control limita fuertemente la capacidad de transmisión a altas velocidades, especialmente en aquellos por encima de los 10 Gbps. Es un parámetro difícil de medir y compensar dada su naturaleza estadística, y depende fuertemente de las condiciones físicas del cable (ambientales y mecánicas). El origen físico de la PMD es fundamentalmente la birrefringencia de la fibra. Estas diferencias se producen por imperfecciones en el proceso de fabricación de la fibra o como resultado de fuerzas externas que producen doblados y tensiones en la fibra. Si la fibra fuera perfecta, con una geometría uniforme, homogeneidad en el material y sin efectos de tensión, ambos modos se propagarían exactamente a la misma velocidad y no existiría degradación sobre los bits transmitidos. DISPERSIÓN DE MODO DE POLARIZACIÓN PMD

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38 La Dispersión Cromática de una fibra se expresa en ps / (nm*km), representando el retraso, o incremento de tiempo (en ps), para una fuente con una anchura espectral de 1 nm que viaja en 1 kilómetro de la fibra. Esto depende del tipo de fibra, y limita el ancho de banda o la distancia de transmisión para una buena calidad de servicio. El ensanchamiento que sufren los pulsos de luz, denominados dispersión, es un factor crítico que limita la calidad de la transmisión de señal sobre enlaces ópticos. La dispersión es una consecuencia de las propiedades físicas del medio de transmisión. Las fibras monomodo, usadas en redes ópticas rápidas, están sujetas a la Dispersión Cromática que causa un ensanchamiento de los pulsos de luz según la longitud de onda, y a la Dispersión de Modo de Polarización (PMD) que provoca un ensanchamiento del pulso según la polarización. Un ensanchamiento excesivo provocará una superposición de los pulsos y errores en la decodificación. DISPERSIÓN CROMÁTICA

39 La luz que se propaga en un conductor de fibra óptica experimenta una atenuación produciendo una pérdida de energía. Para cubrir grandes distancias sin emplear regeneradores intermedios se deben de mantener estas pérdidas en lo mínimo posible. La atenuación de un conductor de fibra óptica es un parámetro importante para la planificación de redes de cables para telecomunicaciones ópticas y la producen principalmente fenómenos físicos como son absorción y dispersión.

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41 Estas pérdidas se deben a fenómenos internos a la fibra. Se debe a la interacción existente entre los fotones que viajan por la fibra y las moléculas que componen el núcleo. La energía fotónica se cede en parte a las moléculas de sílice que van encontrando los fotones en su camino, produciendo vibraciones en las mismas.

42 La pérdida por absorción es definida como la conversión de energía lumínica en calor, fenómeno que sucede al interior de la fibra. La sílice fundida (SiO2) que se emplea a pesar de ser 8000 veces más pura que el vidrio común, contiene impurezas como iones de metales (Fe, Cu, Cr y Ni). Esta contaminación puede ocasionar picos de atenuación. La concentración de iones metálicos se da en el número de partes por billón (ppb) que causarían una atenuación de 1 dB/Km, en su pico de absorción. Otro problema es los iones hidróxido (OH-), cuya causa son las moléculas de agua que han sido atrapadas en el vidrio durante el proceso de fabricación. Dichos iones, en una concentración de una parte por billón (ppb) en la sílice, causan las siguientes atenuaciones: Por Absorción de Impurezas

43 Curva característica de Pérdidas

44 Siempre que la fibra se somete a una curvatura por bobinado, tendido, etc., se origina una atenuación adicional por el hecho de que la interfaz núcleo- revestimiento deja de ser geométricamente uniforme: la luz se refleja en algunos puntos con ángulos diferentes de los inicialmente calculados, por lo que deja de verificarse en ellos el principio de reflexión total y, en consecuencia, se produce una fuga de modos hacia el revestimiento. Pérdidas intrínsecas por curvatura

45 Los defectos que ocasionan las llamadas pérdidas por microcurvaturas son las irregularidades entre el núcleo y el revestimiento, las fluctuaciones de diámetro (error de elipticidad) y, fundamentalmente, las deformidades del eje de la fibra (error de concentricidad). Las pérdidas consiguientes presentan la particularidad de que afectan toda la banda de información y varían poco con la longitud de onda, y también que sólo se origina atenuación cuando las irregularidades periódicas están separadas menos de una longitud L. Pérdidas intrínsecas por microcurvatura

46 Son propios de las fibras ópticas y se dan en la fabricación de éstas. Cuando se unen fibras ópticas con diferentes parámetros, se presentan pérdidas en la transmisión de la luz. Pérdidas por uniones por factores intrínsecos

47 Son aquellos que se presentan durante las labores de empalmería de las fibras ópticas. Por lo general, este tipo de pérdidas se dan debido a fallas humanas o a fallas de los equipos que se utilizan en esta actividad. Pérdidas por uniones por factores extrínsecos

48 Estas pérdidas se generan por el acoplamiento de los fotoemisores (LED-LD) y los fotodetectores (FOTODIODO-PIN). En las fibras que poseen mayor diámetro en el núcleo presentan menos pérdidas por acople. La fibra cuyo diámetro del núcleo es muy reducido presenta una pérdida por acoplamiento muy elevada; por esto se requiere la utilización de fuentes de mayor potencia a la entrada, tal como un diodo láser (LD) y la utilización de lentes. Pérdidas extrínsecas por acoples

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50 Para la transmisión de señales luminosas a través de una fibra óptica se requieren en su comienzo en y su final elementos de emisión y recepción adecuados para convertir señales eléctricas en ópticas y viceversa. Las fuentes ópticas son transductores que generan una onda portadora óptica que será modulada por las señales eléctricas procedentes de un equipo analógico o digital. Los detectores ópticos demodulan la portadora óptica recibida a través de la fibra, recuperando la señal eléctrica de información, a la que se somete posteriormente a procesos de amplificación, filtrado en la recepción.

51 La transmisión por FO consiste en convertir una señal eléctrica en una óptica, que puede estar formada por pulsos de luz (digital) o por un haz de luz modulado (analógica). La señal saliente del transmisor, se propaga por la fibra hasta llegar al receptor, en el cual se convierte la señal nuevamente a eléctrica. En la actualidad los láser son usualmente fabricados a partir de materiales semiconductores (Diodo láser, LD). Además de los láseres, también se usan los diodos emisores de luz, LED. Ellos fueron desarrollados en la década de los 70's y son sencillos y baratos. Lamentablemente emiten una luz de gran ancho de banda y como irradian en forma esférica, solamente una pequeña parte de la potencia puede ser introducida en la fibra.

52 LED (Diodo emisor de luz): La emisión de fotones es espontánea al activarse: poca potencia, amplio ancho de banda espectral, limitada velocidad de modulación. Su costo es inferior al láser. Adecuado para distancias pequeñas y medias (LAN, lazo de abonado) LD (Diodo laser): La emisión de fotones es coherente, se activan simultáneamente, en fase: gran potencia, espectro reducido, altas velocidades de modulación. Es más costoso que el LED y genera más calor. Adecuado Grandes distancias y altas velocidades de transmisión. Tx en HUB Tx de 1 CHOptical Transceiver

53 En las comunicaciones por fibra óptica se usan como detectores de luz, principalmente los diodos PIN (P-intrínsec-N) y APD (Avalanche Photo Diodes). El comportamiento de estos semiconductores ha sido constantemente mejorado, especialmente en los que se refiere al tiempo de elevación del pulso y sensibilidad. En la actualidad se presentan en tamaños adecuados para ser acoplados en las fibras ópticas. Sensibilidad de recepción: Dependiendo de la velocidad, de 0.1 a 10 Gb/s, desde -50 a -20 dBm. El diodo APD ofrece una mayor sensibilidad que el PIN. El PIN es de menor costo. Uso: 850nm => APD y PIN, 1300nm => APD, 1500nm => APD Rx TDT Nodo Unidireccional Transceiver (Tx y Rx) RX en HUB

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56 Multiplexan (juntan) o demultiplexan (separan) la potencia óptica de diferentes longitudes de onda: A wide wavelength division multiplexer (WWDM), separa o combina dos señales dentro de un rango. 850 nm nm, ó 1310 nm nm

57 DWDM (dense wavelength division multiplexing), espacio entre canales de 1,6 nm (200GHz) a 0,8 nm (100 GHz). Uso de λ muy próximas en 3ªventana. Amplificadores ópticos y láseres VCSEL (Diodo Láser de Emisión Superficial con Cavidad Vertical), costosos. CWDM (coarse-grosor wavelength division multiplexing) El espacio típico entre canales es de 20 nm. Uso económico de tecnología WDM, sobre las 3 ventanas ( nm).

58 Componente Pasivo utilizado para modificar la radiación óptica que le atraviesa, alterando la distribución espectral. Encaminamiento y conmutación de señales en función de su λ. Parámetros característicos – Pérdidas de inserción en la banda de paso. – Aislamiento (mínimo 40 dB) – Reflectancia – Longitud de onda de operación

59 El atenuador, es un componente óptico pasivo compacto, usado para administrar la potencia de la señal óptica. Valor de atenuación desde 1 a 20dB. Aplicación típica en cabeceras de distribución o en los primeros nodos. – Atenuadores fijos – Atenuadores en línea (Baja atenuación por reflexión) – Atenuadores variables

60 El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA (del inglés, Erbium Doped Fiber Amplifier) que se basa en el dopaje con Erbio de una fibra óptica. El erbio es un elemento terrestre que no es muy común que cuando es excitado emite luz alrededor de los 1530 nm. Algunas características típicas de los EDFAs comerciales son: - Frecuencia de operación: de 1530 a 1605 nm. - Para el funcionamiento en banda menores a 1480 nm son necesarios otros dopantes. - Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB) - Ganancia entre (15-40 dB) - Ganancia interna: dB - Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB

61 El EDFA no presenta una ganancia uniforme con la longitud de onda. Debido a la saturación según crece la potencia de entrada la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El máximo de ganancia se alcanza alrededor de los nm. Como puede verse en la figura a potencias altas la respuesta de la ganancia en todo el rango de la banda C ( nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada más bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los canales se amplifican por igual.

62 G.650. Definición y métodos de prueba de los parámetros pertinentes a las fibras monomodo G.651. Características de un cable de fibra óptica multimodo de indice gradual de 50/125 um G.652. Carácterísticas de un cable de fibra óptica monomodo G.653. Carácterísticas de un cable de fibra óptica monomodo con dispersión desplazada G.654. Carácterísticas de un cable de fibra óptica monomodo con pérdida minimizada a una longitud de onda de 1550 nm. G.655. Características de un cable de fibra óptica monomodo con dispersión desplazada nula. G.656. Características de las fibras y cables con dispersión distinta de cero para el transporte de servicios banda ancha.

63 Fibra Multimodo

64 Fibra Monomodo

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66 66 Cuando se aplica luz dentro de la fibra óptica, la retrodispersión y la refracción de luz de Fresnel regresan hacia la fuente de luz. Utilizando este fenómeno, es posible hacer una evaluación de los siguientes aspectos: Localización de la falla Pérdida óptica entre dos secciones transversales Pérdida en la unión (empalme ) OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)

67 La longitud de onda de la fuente puede ser un factor crítico en la realización de medidas de pérdida exactas, dado que la atenuación de la fibra es sensible a la longitud de onda especialmente en las longitudes de onda cortas. Medidores de Potencia

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70 Sistemas de comunicaciones ópticas, Daniel Pastor Abellán, Universitat Politècnica de València, Ed. Univ. Politéc. Valencia, 2007, ISBN , , 307 páginas Tendencias Tecnológicas de las Redes de Fibra óptica de larga distancia, Jorge Ernesto Torres Gómez, COMTELCA, Foro Centroamericano en Tecnologías y Servicios de Telecomunicaciones, 28 de Julio de Tecnología y elementos de conexión y conectividad: Principios de teoría de las comunicaciones, Raúl Ibarra, Editorial Limusa, ISBN , , 321 páginas. FIBRA ÓPTICA PARA NGN - DISPERSIÓN CROMÁTICA Y PMD, Noviembre de 2009, Tutorial de Comunicaciones Ópticas. Tema I: Propagación de señales en F.O. Prácticas de fotónica, C. Lario, Daniel Pastor Abellán, Francisco Cruz Lario Esteban, José Capmany Francoy, D. Pastor, Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Comunicaciones,1995, 92 páginas Capítulo 1 – Conceptos, diseño y materiales. TELNET. Julio de Catálogos materiales y sistemas de comunicaciones:

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