Ventajas de la Fibra Optica

Presentación del tema: "Ventajas de la Fibra Optica"— Transcripción de la presentación:

1 Ventajas de la Fibra Optica
Enorme capacidad para el transporte de información. Atenuación muy baja. Inmunidad a interferencias electromagnéticas. Seguridad: Casi imposible de interceptar. Dimensiones y peso pequeños. Confiabilidad Costo por canal reducido Desventajas de la Fibra Optica Problemas con la radiación. Alto costo en aplicaciones de bajo ancho de banda Problemas con la radiación Es no conductora

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3 Estructura de la Fibra n1 n2 Revestimiento Núcleo Recubrimiento
La fibra óptica es escencialmente un medio “transparente“ para las radiaciones electromagnéticas situadas en la banda visible y en el infrarrojo cercano. Esto quiere decir que la atenuación que sufre la luz al circular dentro de la fibra es muy baja. La fibra óptica se comporta como una guía de onda que permite la propagación de ondas electromagnéticas longitudinalmente. Es decir, una vez que la luz es insertada por uno de los extremos de la fibra, circula siempre en su interior reflejándose o “rebotando” contra las paredes, hasta alcanzar el extremo opuesto. El cable de cobre es también una guía de onda pero para frecuencias menores. Aunque pueden ser construidas guías de onda ópticas a partir de diversos materiales, el dióxido de silicio (SiO2) es generalmente el elemento constitutivo de las fibras. Este material lo conocemos en la vida cotidiana con el nombre de “vidrio”. Pero a diferencia de lo que sucede con el vidrio en la vida cotidiana, el dióxido de silicio se encuentra en un estado de pureza muy alto en la fibra óptica, lo que hace que la luz tenga atenuaciones mucho menores, y por lo tanto pueda recorrer distancias mucho más grandes. Alta pureza equivale a concentraciones insignificantes de otros tipos de moléculas “contaminantes”. Para tener una idea sobre la pureza que debe tener el dióxido de silicio en la fibra óptica, imaginemos transmitir luz a través de un vidrio de 60 Km de espesor. En el diagrama se pueden identificar tres estructuras concéntricas: núcleo, revestimiento y cubierta exterior. El núcleo y el revestimiento de la fibra están hechos de dióxido de silicio; la luz se propaga a través de estos. La cubierta exterior sirve para dar a la fibra resistencia mecánica, protección ante agentes externos y permite su identificación a través de un código de colores. Aunque el núcleo y el revestimiento están constituidos del mismo material, tienen índices de refracción diferentes, lo que hace que la luz quede confinada y se propague sin escapar de la fibra. Revestimiento Núcleo Recubrimiento Indices de refracción: n1 n2

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5 Cables de Construcción Ajustada
Existen dos tipos principales de construcción del cable: la construcción ajustada y la suelta. En el cable de construcción ajustada, las fibras están en estrecho contacto con otros materiales del cable, mientras que en la construcción suelta, las fibras tienen cierto movimiento o espacio libre dentro de tubos cuyo diámetro es mucho mayor al de la cubierta exterior de la fibra. En la construcción ajustada, cada fibra se encuentra rodeada por un buffer de polímero, sin espacio libre entre la cubierta exterior y el buffer. La fibra se encuentra por lo tanto estrechamiente ligada al buffer, como sucede en el caso del cable de cobre y su recubrimiento con material aislante. Los cables de construcción ajustada tienen pérdidas por pliegues mayores que los de contrucción suelta, ya que las fibras no pueden moverse libremente dentro del cable, sino que deben seguir exactamente las curvas y contornos que estos describen al ser instalados. La fibra óptica exhibe fragilidad cuando se le somete a estiramientos o tensiones longitudinales. Esto significa es capaz de elongarse sólamente un muy pequeño porcentaje (7%) y después se rompe abruptamente. El tejido de hilo de aramid impide que el cable se estire cuando se somete a esfuerzos longitudinales, portegiendo de esta forma las fibras. Sin embargo, ya que este tipo de cable no tiene miembros de refuerzo que le proporcionen rigidez, puede ser doblado más facilmente que el de construcción suelta, por lo que es ideal para instalación dentro de edificios. Otra aplicación de este cable es en trayectos submarinos, en donde la presión del agua hace necesario que no existan espacios libres dentro del cable. Existen cables simples, dobles y cuádruples. Chaqueta de polietileno Tejido Fibra Buffer de polímero Cable Sencillo Cable Doble

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8 Propagación de la Luz en la Fibra
En este diagrama se analiza lo que sucede en la superficie de separación de dos medios con diferente índice de refracción, siendo n1>n2. Cuando la luz pasa del medio de mayor índice de refracción al de menor, el ángulo respecto a la normal de la superficie de separación en el segundo medio (Q2), es mayor (ley de Snell). Esto se puede apreciar, por ejemplo con objetos que se encuentran dentro de una piscina. A mayor la diferencia entre los índices de refracción, mayor será la difrencia entre los dos ángulos. Si se incide sobre la superficie de separación con ángulos Q1 cada vez mayores, se llega a un punto en el que Q2 alcanza los 90 grados. El valor de Q1 para el que esto sucede se denomina ángulo crítico. Si se supera este valor, ninguna componente del rayo de luz pasará al medio de menor índice, es decir el rayo se reflejará en la superficie de separación, permaneciendo en el medio de mayor índice. Este fenómeno se conoce con el nombre de reflexión total interna. El ángulo de incidencia es igual al de reflexión. Como la luz se desplaza dentro de un cilindro, no necesariamente el ángulo con el que incide en un primer punto será igual al de incidencia en segundo punto. El rayo alcanzará el extremo opuesto de la fibra si en cualquier punto de incidencia sobre la superficie de separación, perteneciente a su trayectoria, el ángulo de incidencia es mayor al ángulo crítico. Entre mayor sea el índice de refracción relativo, menor será el ángulo crítico, por lo que es menos probable que la luz escape de la fibra, pero hay que tener en cuenta también que a mayor cantidad de dopantes, la atenuación que sufre la luz es mayor. n2 2 n1 1 c 3 3 1 < c < 3 n1 n2

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11 Número de Modos Permitidos
2a A partir de un análisis más formal utilizando las ecuaciones de Maxwell se puede demostrar que sólo son posibles determinadas trayectorias o “modos” para la luz dentro de la fibra. El número de modos permitidos depende de varios parámetros: la longitud de onda de la luz, el radio del núcleo, el índice de refracción del núcleo y el índice de refracción relativo. Como se puede apreciar en la ecuación, a mayor índice relativo, radio o índice de refracción del núcleo, mayor número de modos, pero a mayor longitud de onda, menor número de modos. Para longitudes de onda mayores a determinado valor, denominado longitud de onda de corte, solo puede propagarse un único modo. Por debajo de este valor, el número de modos aumenta bastante rápido. Dependiendo de si la fibra ha sido diseñada para que a la longitud de onda de operación transporte uno o más modos, se clasifica en monomodo o multimodo respectivamente. Una desventaja de tener múltiples modos es que como cada uno tiene una trayectoria distinta, recorren distancias diferente, por lo que sufren retardos y atenuaciones distintos. Como el número de modos propagados depende de la longitud de onda con la que se esté transmitiendo, una fibra diseñada para ser monomodo en la longitud de onda de operación puede funcionar como multimodo si se excita con luz de longitud de onda menor. El ángulo de reflexión puede tomar solamente ciertos valores discretos (modos). El número de modos depende de la longitud de onda (l). Decrece al aumentar esta. Para l > lc existe un único modo.

12 Clases de Fibra Multimodo Monomodo Indice Escalonado Indice Gradual
Como se mencionó anteriormente existen dos tipos básicos de fibra: la multimodo y la monomodo. Esta clasificación corresponde al número de modos que se propagan dentro de la fibra. En la fibra monomodo solo existe un único modo, mientras que para la multimodo existe más de uno. Existen desventajas al propagar más de un modo: cada modo recorre a lo largo de su trayectoria una longitud diferente, por lo que tiene retardo diferente. Esto hace que si se transmite un pulso de luz, debido a los retardos distintos de los diferentes modos, este llegue al receptor con una duración o ancho mayor al que tenía al entrar a la fibra. Este hecho se conoce con el nombre de “dispersión modal” y limita la velocidad de transmisión de información o tasa de bits por segundo del enlace. Pero generalmente, para propagar un único modo es necesario un índice de refracción relativo muy pequeño, por lo que la apertura numérica, que depende también de éste parámetro tiene que ser baja. Para propagar un único modo es necesario también un diámetro de núcleo pequeño. Esto implica que deben ser utilizados Lásers en vez de Leds (que son más baratos) para poder inyectar luz a la fibra, por el patrón más abierto de estos últimos. La subclasificación dentro de cada tipo se hace aquí teniendo en cuenta el perfil de índice de refracción. Este corresponde a una gráfica que indica como varía el índice de refracción con respecto al radio, desde el centro del núcleo hacia afuera. Hasta ahora solo hemos hablado del perfil escalonado, es decir, de una dos regiones con índice de refracción diferente (núcleo y revestimiento), divididas entre sí por una superficie de separación muy definida. Es decir que partiendo de un radio igual a cero, se tiene un índice de refracción constante n1 que corresponde al del núcleo, hasta que se llega a la línea divisoria entre núcleo y revestimiento, en la cual el índice de refracción baja su valor a n2. El perfil resultante es el correspondiente a un escalón. Pero este no es el único perfil posible para la fibra, existen muchos diseños, que vamos a observar en las siguientes gráficas. Los diferentes diseños de perfiles para la las fibras poseen diversas ventajas. Indice Escalonado Indice Gradual Multimodo Convencional Dispersión Desplazada True Wave Monomodo

13 Aplicaciones de la Fibra
Esta tabla resume las aplicaciones de las clases de fibra que ya se han analizado: Multimodo: Fue la primera en utilizarse debido a su facilidad de acople de luz y mayor tamaño de núcleo. Hoy en día la fibra monomodo la ha desplazado en muchos campos, pero se sigue perfiriendo en aplicaciones de corta distancia, y baja velocidad, principalmente para redes locales LAN, debido a que son compatibles con dispositivos de emisión con patrones de radiación abiertos como los LED, lo que hace mucho más baratos los costos. Monomodo Convencional: También llamada “fibra de dispersión no desplazada” se introdujo al mercado en 1983, y es al momento la más usada con 60 millones de fibra-km instalados alrededor del mundo. Monomodo Dispersión Desplazada: ha estado disponible comercialmente a partir de Es una fibra optimizada para enlaces de larga distancia, ya que está optimizada para ser utilizada en la ventana de más baja atenuación, permitiendo grandes velocidades de transmisión. Monomodo TrueWave: es una fibra que debido a sus características de dispersión cromática, permite la multiplexación densa por longitud de onda. Es decir, sobre la misma fibra, se transmite simultáneamente con lásers de diferentes longitudes de onda (colores), permitiendo tener al tiempo 4, 8, 16 canales. Debido a las dificultades que surgen en los dispositivos electrónicos, no en los ópticos, cuando se intenta conmutar a velocidades superiores a los 10Gb/s o 20Gb/s, se piensa que la multiplexación por división en longitud de onda será la solución para aprovechar el gran potencial de la fibra. Multimodo: Utilizada principalmente para transmisión de datos en redes locales LAN. Monomodo Convencional: Es el tipo de fibra más utilizado, con 60 millones de km instalados en todo el mundo. Monomodo Dispersión desplazada: Fibra optimizada para aplicaciones de larga distancia. Monomodo TrueWave: Fibra que permite Multiplexa-ción Densa en por División en Longitud de Onda (DWDM).

14 Diámetros Típicos para Fibra
En esta gráfica se muestran los tamaños típicos del núcleo, revestimiento y cubierta exterior para las fibras monomodo y multimodo. Como ya se mencionó, para propagar un único modo es necesario adicionalmente a un índice de refracción relativo pequeño, un diámetro de núcleo pequeño. De aquí la diferencia de diámetros de los dos tipos de fibra (8.3um a 62.5um). La fibra multimodo está disponible también en tamaños de núcleo de 50 y 80um. La cubierta exterior es plástica (casi siempre líquidos que pasan al estado sólido al ser curados por luz ultravioleta) y tiene generalemente un tamaño de 250um. Su función es la de dar resistencia longitudinal a la fibra y protegerla de agentes externos. La atenuación de la luz en la cubierta exterior es muy alta, lo que hace que la luz que la atraviesa (hacia el interior o hacia el exterior) se atenúe muy rápido. Su índice de refracción es mayor al del revestimiento, para asegurar que no permanezca luz atrapada en el revesitimiento (la luz pasa a la cubierta exterior en donde se atenúa muy rápidamente. Existen fibras con doble cubierta exterior, en las cuales la interior es más suave y actua como un cojín ante fuerzas de compresión externas, mientras que la exterior es más dura para resistir la abrasión y proveer resistencia. El revestimiento tiene un tamaño estándar de 125um, provee también cierta protección al núcleo, además de permitir que la luz quede confinada. Es muy importante la concentricidad entre núcleo y revestimiento (sobretodo en las fibras monomodo), ya que la mayoría de sistemas de empalme y conectorización para las fibras dependen de esto. 250µm 250µm 125µm 125µm 62µm 8.3µm Monomodo Multimodo

15 Perfil de índice de refracción
MMF SI MMF GI En esta gráfica se muestran los tamaños típicos del núcleo, revestimiento y cubierta exterior para las fibras monomodo y multimodo. Como ya se mencionó, para propagar un único modo es necesario adicionalmente a un índice de refracción relativo pequeño, un diámetro de núcleo pequeño. De aquí la diferencia de diámetros de los dos tipos de fibra (8.3um a 62.5um). La fibra multimodo está disponible también en tamaños de núcleo de 50 y 80um. La cubierta exterior es plástica (casi siempre líquidos que pasan al estado sólido al ser curados por luz ultravioleta) y tiene generalemente un tamaño de 250um. Su función es la de dar resistencia longitudinal a la fibra y protegerla de agentes externos. La atenuación de la luz en la cubierta exterior es muy alta, lo que hace que la luz que la atraviesa (hacia el interior o hacia el exterior) se atenúe muy rápido. Su índice de refracción es mayor al del revestimiento, para asegurar que no permanezca luz atrapada en el revesitimiento (la luz pasa a la cubierta exterior en donde se atenúa muy rápidamente. Existen fibras con doble cubierta exterior, en las cuales la interior es más suave y actua como un cojín ante fuerzas de compresión externas, mientras que la exterior es más dura para resistir la abrasión y proveer resistencia. El revestimiento tiene un tamaño estándar de 125um, provee también cierta protección al núcleo, además de permitir que la luz quede confinada. Es muy importante la concentricidad entre núcleo y revestimiento (sobretodo en las fibras monomodo), ya que la mayoría de sistemas de empalme y conectorización para las fibras dependen de esto. 20 ns/km 440 ps/km SMF 3.5 (ps/nmXkm)

16 Pérdidas en la fibra Atenuación Dispersión Lineal (Rayleigh, MIE) No lineal(Roman, Brillovin) Modal (ns/km , ps/km) Cromática(ps/nm*km) Curvaturas y microcurvaturas.

17 Atenuación Es la pérdida de potencia en el pulso en un kilómetro (dB/Km). Limita la longitud del enlace. Causada por factores intrínsecos y extrínsecos. Las fibras ópticas tienen pérdidas bajas en la región del infrarrojo cercano 700nm a 1700nm, región que es compatible con las frecuencias de transmisión y recepción de los transductores que han sido desarrollados. La atenuación tiene que ver con la pérdida de potencia o de intensidad de la luz a medida que un pulso emitido por el transmisor atraviesa la fibra. Si el transmisor emite un pulso con una potencia Pi, este llega al receptor con una potencia menor Po. La pérdida total de la fiibra puede expresarse como la diferencia de las potencias de entrada y salida expresadas en dB. La atenuación de una fibra se expresa generalmente en dB/Km, que corresponde a la pérdida de potencia que sufre un pulso al recorrer un kilómetro de fibra. La atenuación en la fibra es constante a lo largo de su longitud (con unas pocas excepciones) por lo que esta puede ser calculada dividiendo la diferencia entre las potencias de entrada y de salida por la longitud de la fibra. La atenuación es un fenómeno que limita la longitud del enlace ya que la potencia que puede inyectar el transmisor a la fibra es limitada y la potencia que debe llegar al receptor debe tener un cierto valor mínimo para que este pueda identificar el valor del bit (0 o 1). La atenuación es causada por factores intrínsecos y extrínsecos a la fibra. Los factores extrínsecos son todas aquellas causas de pérdida que pueden ser eliminados perfeccionando la fabricación e instalación. Los intrínsecos no pueden ser corregidos por perfectos que sean estos procesos. Tienen que ver con la pérdida de la luz cuando atraviesa un material determinado. Pi FIBRA CON ANCHO DE BANDA INFINITO Po l

18 Curva de Atenuación Atenuación (dB/km) OH_ OH_ OH_
En la gráfica, el eje horizontal corresponde a la longitud de onda en nanómetros y el vertical a la atenuación en dB por Kilómetro. Se identifican en la gráfica tres regiones o “ventanas” de operación. La segunda ventana tiene una atenuación menor a la de la primera, y la tercera tiene una atenuación menor a la de la segunda. Los picos de absorción causados por el ión oxidrilo en los 950, 1240 y 1390nm demarcan estas zonas. La primeros sistemas de fibra óptica operaban cerca a los 825nm (primera ventana) ya que los lásers y detectores para estas longitudes de onda fueron los primeros en ser introducidos (1979). Los sistemas que operan en la segunda ventana fueron introducidos entre 1980 y Y aquellos para la tercera ventana estuvieron disponibles a partir de 1986. 4.0 3.5 3.0 1 Atenuación (dB/km) 2.5 OH_ OH_ 2.0 1.5 OH_ 1.0 2 3 0.5 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Longitud de onda (nm)

19 Atenuación en Fibra Monomodo
Todas las fibras monomodo (convencional, dispersión desplazada, etc) tienen una curva de atenuación típica representada en esta gráfica de atenuación versus longitud de onda. Muchos de los sistemas de transmisión actuales que utilizan fibra monomodo convencional operan en 1310nm, en donde la atenuación de la fibra es aproximadamente 0.35 dB/Km. Como se puede apreciar, la atenuación es menor a 1550nm, aproximadamente 0.22 dB/Km. Aunque es posible transmitir a esta longitud de onda en la fibra convencional, la fibra de dispersión desplazada está optimizada a 1550 nm para una dispersión mínima o un máximo ancho de banda. 0.6 OH_ 0.5 0.4 Atenuación (dB/km) 0.3 0.35 0.22 0.2 1310 1550 0.1 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Longitud de onda (nm)

20 Dispersión Provoca el ensanchamiento del pulso
En una fibra real, el pulso no solamente se atenúa al atravesar la fibra sino que también se ensancha, es decir aumenta su duración, cambiando su forma. Si la dispersión es muy grande, el pulso comienza a invadir el espacio adyacente destinado a los bits contiguos, lo que se conoce como interferencia intersímbolo. Cuando esto ocurre, se generan altas tasas de error en los sistemas de comunicación, ya que en el receptor se confunden los bits, es decir, no se logra discernir si corresponden a ceros o unos. Entre más dispersión se tenga en un enlace, menor será la velocidad de transmisión posible o el ancho de banda, ya que es necesario “separar” o “alejar” más los bits, para evitar que estos interfieran. Cada bit debe tener una duración mayor, por lo que la velocidad de transmisión disminuye. Como el ensanchamiento del pulso es un efecto acumulativo a medida que este atraviesa la fibra, a mayor longitud del enlace, se tendrá una mayor dispersión acumulada. Por este motivo la dispersión limita también la longitud del enlace, para una determinada tasa de bits por segundo. Los tres tipos de dispersión más importantes que contribuyen al ensanchamiento total del pulso son: dispersión modal, dispersión cromática y dispersión por modo de polarización. Provoca el ensanchamiento del pulso Limita la tasa de bits/seg Limita la distancia del enlace

21 Dispersión Modal Solo se presenta en Fibra Multimodo.
Como ya se había discutido, este tipo de dispersión solo se tiene en la fibra multimodo. Se debe a la diferencia de velocidades longitudinales de los diferentes modos, ya que cada uno recorre una distancia diferente, dependiendo de qué tanto tenga que “rebotar” en su trayectoria. En una fibra de índice escalonado, el retardo distinto hace que los modos de orden inferior lleguen antes, mientras que los orden superior lo hagan después. El pulso de luz, que esta formado por el conjunto de todos los modos, sufre un ensanchamiento. La dispersión modal es el factor dominante que limita la velocidad de transmisión en éste tipo de fibra, por encima de los demás. La fibra de perfil gradual compensa los retardos evitando el ensanchamiento del pulso, pero únicamente para una longitud de onda determinada. En la práctica, las fibras y los emisores tienen ciertas tolerancias por lo que la longitud de onda óptima es cercana aunque no corresponde exactamente con la del transmisor, por lo que siempre existe una pequeña dispersión modal. Solo se presenta en Fibra Multimodo. Se debe a que cada modo recorre una distancia dife -rente. td

22 Dispersión Cromática td
El índice de refracción depende de l (velocidades de propagación diferentes) El ensanchamiento del pulso depende de: Longitud del enlace Ancho espectral del láser Dmat = (M*deltaL*Lon)/2.35 Los Lásers y Leds no emiten a una longitud de onda única, sino en un cierto rango de longitudes de onda que se denomina su ancho espectral. Debido a que las diferentes longitudes de onda o “colores” viajan a velocidades distintas, unos colores llegan más rápido que otros produciendo un ensanchamiento del pulso de luz, que está compuesto por el conjunto de las longitudes de onda emitidas. A mayor ancho espectral en el transmisor, el pulso estará conformado por un número mayor de “colores” con diferentes retardos, por lo que el ensanchamiento del pulso será mayor. Por este motivo, si el factor limitante para la velocidad de transmisión es la dispersión cromática, se utilizan generalmente emisores de ancho espectral muy pequeño como Lásers en lugar de Leds. La dispersión cromática es un efecto acumulativo, por lo que el ensanchamiento total es proporcional a la longitud del enlace. td

23 Curva de Dispersión Cromática (Fibra Monomodo)
30 En esta figura se grafica el valor de la dispersión cromática con respecto a la longitud de onda para las fibras monomodo convencional y dispersión desplazada. El valor de la dispersión cromática es el ensanchamiento en picosegundos que dos longitudes de onda separadas 1 nm experimentan cuando viajan a través de 1 Km de fibra. Las unidades de la dispersión cromática son picosegundos por nanómetro kilómetro. Esto quiere decir que siempre y cuando el ancho espectral del emisor sea pequeño, el ensanchamiento del pulso es aproximadamente proporcional al valor de la dispersión en el punto de operación por el ancho espectral del emisor por la longitud del enlace. El punto de dispersión cero corresponde al mínimo en las curvas de retardo relativo de la figura anterior. Estos puntos se encuentran en 1310 nm para la fibra convencional y 1550 nm para la de dispersión desplazada. La curva de la fibra de dispersión desplazada es aproximadamente igual a la de la convencional, pero desplazada, como su nombre lo indica. El punto de dispersión cero pasa de ser 1310 nm a ser 1550 nm. Estos puntos de dispersión cero son muy importantes, ya que si se transmite a estas longitudes de onda, el ensanchamiento del pulso será muy pequeño, por lo que la velocidad de transmisión para un enlace de longitud determinada, o la distancia del enlace para una velocidad de transmisión determinada son máximos. Por este motivo, la fibra de dispersión desplazada utilizada en 1550 nm donde la atenuación es la menor, permite grandes velocidades de transmisión sobre grandes distancias. Si se utiliza fibra convencional a 1550nm (que corresponde a un punto de alta dispersión cromática para esta clase de fibra) son necesarios otros métodos para reducir el ensanchamiento del pulso, como compensadores de dispersión que son secciones de fibra con curvas de dispersión inversa o Lásers externamente modulados que tienen anchos espectrales muy pequeños, del orden de 0.1nm. 20 Fibra convencional 10 Dispersión (ps/nm-km) 1200 1300 1400 1500 1600 1700 -10 Fibra de dispersión desplazada -20 -30 Longitud de onda (nm)

24 Ancho de banda de la fibra
Depende de la dispersión modal y de la dispersión cromática, se puede expresar en términos eléctricos y ópticos. BW opt = 0.187/Dt BW opt = 0.132/Dt