Introducción a las Fibras Opticas

Introducción La fibra óptica es el medio de transmisión en los sistemas de comunicaciones ópticas. Es la preferida por sus características: Baja Atenuación (< 0,2 db/Km) Gran Capacidad (hasta 32 THz * km) Inmunidad a Interferencias Electromagnéticas Seguridad Menor Tamaño y Peso Disponibilidad de Materia Prima (SiO2)

Nociones de Optica Modelos de análisis de la luz El espectro óptico Propagación de la luz El Índice de Refracción. Apertura numérica

Modelo de análisis de la luz Modelo de rayos: Simplicidad: Utilizado para describir fenómenos macroscópicos con luz visible. Modelo Ondulatorio: Se utiliza para explicar la interacción de la luz con objetos materiales de tamaño comparable o menor que la longitud de onda de la luz. Modelo corpuscular: Requerido para explicar la interacción de la luz con átomos individuales. En el nivel atómico, se aprecia la granularidad presente en un haz de luz.

Efectos relacionados con las fibras ópticas Propagación de la luz  Como onda electromagnética (aplicación en infraestructura de FO) Interacción de la luz con la materia  Como partícula (Aplicación en equipos ópticos)

Espectro óptico

Propagación de la luz La reflexión es el fenómeno por el cual un rayo de luz que incide sobre una superficie es reflejado. (La luz “rebota” en la superficie, como la luz reflejada en los cristales). La refracción (del latín fractum, "quebrado") es el cambio de dirección de propagación que experimenta una onda electromagnética debido al cambio de velocidad cuando pasa de un medio a otro.

Reflexión y Refracción: Ley de Snell Reflexión Total

Reflexión interna total en una fibra óptica Ejemplos de Índices de Refracción Vacío = 1 Agua = 1.33 Vidrio de silicio = Vidrio común = 1.52

Guiado de la luz dentro de la fibra Guiado del haz de luz en una fibra multimodo mediante la reflexión interna total en la interfaz núcleo-recubrimiento Guiado del haz de luz en una fibra monomodo. El perfil de intensidad dentro del núcleo es determinado únicamente por el diseño de la fibra.

Modos de propagación guiada Patrón de intensidad típico a la salida de una fibra multimodo a partir de una entrada de luz monocromática con fases aleatorias de los modos excitados Perfil de intensidad de los modos de una fibra de índice escalonado. En todo momento, una fibra tendrá también una cantidad de modos de recubrimiento, que alcanzan la frontera exterior del mismo y son muy atenuados fundamentalmente por la cobertura exterior.

Apertura numérica (AN)

La luz como partícula Conversión Eléctrico-Optica y Optico-Eléctrica

La Fibra Optica Reseña Histórica Descripción y características técnicas Características mecánicas. Cómo se fabrica una fibra óptica Clasificación de fibras ópticas Efectos ópticos característicos

Reseña Histórica

Fibra Optica: Características Técnicas La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales: –Del diseño geométrico de la fibra. –De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración (diseño óptico). –De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.

Fabricación de fibras ópticas Formación del vidrio y deposición Secado y sinterizado Estirado de la preforma Bobinado Medición y control

Fabricación de fibras ópticas

Factores que afectan la propagación

Efectos Lineales

Atenuación en Fibras Opticas – Factores intrínsecos Absorción Difusión

Curvas características de atenuación

FO de Banda extendida

Atenuación – Factores extrínsecos Macrobending Microbending La Atenuación de las micro y macrocurvaturas se incrementa con la longitud de onda (es mayor a 1550 nm que a 1310 nm)

Fenómenos de dispersión La dispersión en fibra óptica produce distorsión de la señal transmitida y limita la velocidad de transmisión del enlace

Tipos de Dispersión

Dispersión Modal (DMD)

Dispersión cromática

Diámetro de campo modal

Componentes de la dispersión cromática

Compensación de la Dispersión Cromática

Dispersión de polarización (PMD)

Límites impuestos por la PMD 10 Gbit/s (OC-192) 40 Gbit/s (OC Gbit/s (OC-48) 6,400 km 400 km 25 km Max 0.5ps√km Secciones birrefringentes concentradas aleatoriamente) DGD v1v1 v2v2 Esfuerzos externos!! De acuerdo con los límites teóricos o las especificaciónes de fabricantes, se determina el márgen de retardo de PMD [ps] aceptable La PMD varía aleatoriamente, por lo que se deben usar con cuidado los valores absolutos Considerar el margen sabiendo que las variaciones “típicas” (de los datos) ocurren en una magnitud del 10 al 20%. Cuál es la limitación de distancia debido a PMD Se calcula el coeficiente de PMD [ps/√km ]

Curvas de dispersión de fibras comerciales

Factores No Lineales

Mezcla de cuatro ondas (FWM) Demo FWM

Limitaciones producidas por los efectos no lineales Impacto en la potencia admisible en un DWDMben función de la cantidad de canales a transmitir al introducir las limitaciones causads por los efectos no lineales

Clasificación de FO

Tipos de Fibra Optica

Fibras ópticas multimodo – Indice escalonado Los diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede trasmitir está limitada.

Fibras ópticas multimodo – Indice gradual En estas fibras él numero de rayos ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto, sufren menos el severo problema de las multimodales.

Fibra óptica monomodo Función modal de una fibra monomodo de índice escalonado. El cambio de índice de refracción es 0,002 y el radio del núcleo es de 4 μm, lo que lleva a una frecuencia normalizada V de 1,95 a una longitud de onda de 1 μm (valores de V menores a 2,405 indican un sólo modo de propagación)

Fibras Opticas Multimodo EIA-492; ISO/IEC 793 FIBRA MULTIMODO 62,5/125 ITU-T G.651 FIBRA MULTIMODO 50/125 Apertura Numérica NA de 0,275 (tolerancia 0,015)NA=0,18 a 0,24 (tolerancia 10%) Perfil de índice de refracción Parabólico (graded index). Usado en redes de datos y FDDI. Parabólico Indice de refracción 1,9 % Diámetro del núcleo. 62,5 μm (tolerancia 3 μm)50 μm (tolerancia 3 μm) Diámetro del revestimiento (Cladding) 125 μm (tolerancia 1 μm)125 μm (3 μm) Recubrimiento de silicona Coating 245 μm (tolerancia 10 μm) Longitud de onda de aplicación. 850 y 1300 nm Atenuación a 850 nm Entre 3 y 3,2 dB/kmEntre 2,7 y 3 dB/km Atenuación a 1300 nm Entre 0,7 y 0,8 dB/kmEntre 0,7 y 0,82 dB/km Ancho de banda a 850 nm Entre 200 y 300 MHz.kmEntre 300 y 500 MHz Ancho de banda a 1300 nm Entre 400 y 600 MHz.kmEntre 500 y 1000 MHz

Fibras MM para redes de datos

Fibras ópticas para GbE 10 GB Ethernet

Fibras ópticas monomodo Good for TDM at 1310 nm OK for TDM at 1550 nm OK for DWDM (With Dispersion Mgmt Good for CWDM (>8 wavelengths) Extended Band (G.652.C) (suppressed attenuation in the traditional water peak region) OK for TDM at 1310 nm Good for TDM at 1550 nm Good for DWDM (C + L Bands) NZDSF (G.655) OK for TDM at 1310 nm Good for TDM at 1550 nm Bad for DWDM (C-Band) DSF (G.653) Good for TDM at 1310 nm OK for TDM at 1550 OK for DWDM (With Dispersion Mgmt) SMF (G.652)

Fibra óptica comercial: Características ópticas

Fibra óptica comercial: Características físicas

Componentes de los sistemas de comunicaciones ópticas. Transmisores Detectores Gratings de Bragg Acopladores y otros componentes pasivos Filtros Transpondedores Amplificadores Multiplexores y Demultiplexores Conmutadores Otros componentes: –Filtros y ecualizadores –Convertidores de longitud de onda –Atenuadores variables –Compensadores de Dispersión

Modelo de enlace de fibra óptica Transmisor  una interfase analógica o digital,  un conversor de voltaje a corriente,  una fuente de luz,  un adaptador de fuente de luz a fibra Receptor  corrector óptico,  foto detector,  conversor de corriente a voltaje,  amplificador de voltaje  una interfase analógica o digital Guía de fibra

Conversión eléctrico-óptica

Fuentes de Luz – Longitud de onda

Fuentes de Luz LEDLáser Potencia de salida 1 mW20 mW Anchura espectral 50 nm0.7 nm Edge emitting Laser (EEL) Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)

Carácterísticas del Laser para DWDM c Power Power c DWDM Laser Distributed Feedback (DFB) Active medium Mirror Partially transmitting Mirror Amplified light Non DWDM Laser Fabry Perot Espectro ancho: 4 nm Frecuencia central inestable Linea central dominante Control ajustado de Long. De onda DFB: 0,4 nm - DWDM DFB: 0,2 nm o menor

Fotodetectores Fotodiodo P-N Fotodiodo P-i-N Fotodiodo de Avalancha o APD

Características de los receptores ópticos Responsividad Sensibilidad

Transceptores ópticos de bajo perfil (SFF) Módulo GBIC Gigabit Interface Converter Módulo SFP Small Form-Factor Pluggable

Acopladores y otros componentes pasivos Acopladores: estructura con N puertos de entrada y N de salida (con N = 2). Este dispositivo divide el campo que entra por uno de los puertos de entrada entre los 2 terminales de salida. Divisores ( splitter ): estructura con 1 puerto de entrada y 2 puertos de salida. Combinadores: estructura con 2 puertos de entrada y 1 de salida (misma estructura que un splitter pero al revés). Aisladores: transmiten la luz en una única dirección. Circulador es un tipo de aislador óptico cuya funcionalidad es permitir el paso de toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el siguiente puerto.

Acopladores

Acopladores y divisores

Cálculo de Enlace Presupuesto de potencia óptica Parámetros del Transmisor y del Receptor. Estándares ITU-T Cálculo de enlace óptico. Balance óptico. Efecto de la dispersión Caracterización de un enlace. Pérdidas en empalmes

Cálculo de enlaces ópticos

Caracterización de un enlace – Factores de restricción y datos de entrada Datos de entrada: –Longitud total de la Fibra óptica tendida –Cantidad de conexiones –Cantidad de empalmes –Ancho de banda a transmitir Cálculo: Margen óptico total y dispersión máxima Requerimientos: –Potencia óptica del equipo –Compensadores de dispersión

Cálculo del presupuesto óptico Pérdidas totales Fibra ópticaAtenuación Máxima db/Km) Longitud de onda (nm)PFPF – – – 0.23 Pérdida de Inserción Tipo de Conector P C SC0.5 dB ST0.5 dB FC0.5 dB LC0.5 dB Tipo de Empalme P E Mecánico0.5 dB Por Fusión0.02 dB Patchcord a ODF (P o ) 2.00 dB

Cálculo del Presupuesto Optico Parámetros del transmisor y Receptor

Balance Optico. Dispersión del enlace y limitaciones en el ancho de banda Curvas de dispersión en fibras SM