FIBRAS ÓPTICAS

1. FIBRAS ÓPTICAS

2. REPETIDOR Rx Tx Rx Tx Empalme Empalme R Fibra Fibra Fibra Fibra TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES A TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA Tx: transmisor óptico (LED o Diodo Laser) Rx: receptor óptico (Diodo PIN o APD) R: regenerador

3. VENTAJAS DE LA FIBRA • Bajas pérdidas de transmisión • Amplio Ancho de Banda • Inmunidad a la interferencias electromagnéticas • Aislamiento conductivo • Bajo peso y dimensiones reducidas

4. c h v f ( ) ( ) ( ) 2 h × q h × q sin sin q q y sin 1 1 2 2 1 3 c h 1 : índice de refracción relativo al vacío ÓPTICA GEOMÉTRICA normal normal normal 2 2 2 2 1>c 3 c 1> 2 1> 2 1> 2 1<c Reflexión total: Ley de Snell: Ángulo crítico: h 1< 2 2 Normal al plano de separación de los medios 1 2

5. h ( ) 1 ( ) q - y q × y 90 º sin cos 1 0 Normal a la frontera núcleo-recubrimiento h 0 h ( ) 1 ( ) q × y sin cos 0máx c Normal a la frontera aire-núcleo h 0 recubrimiento 0 (< 1) B æ ö 2 2   núcleo h - h ç ÷ 1 2 1 A q arcsin ç ÷ 0máx 0 C h è 0 ø 1 (> 2) 2 0máx Sección inicial de la fibra 2 2 h h - h ( ) 2 ( ) 1 2 2 2 y sin y cos h - h c c h 1 2 h 1 1 CONO DE ACEPTACIÓN    Cono de Aceptación Definición de ángulo crítico 1 c 2 Triángulo (ficticio) que representa la relación entre índices de refracción y ángulo crítico

6. 2 2 h - h ( ) 1 2 q sin 0máx h 0 2 2 h - h ( ) 1 2 q AN sin AN 0máx h 0 2 2 h - h AN 1 2 - n n 1 2 D n 1 APERTURA NUMÉRICA Si la zona de inyección del haz de luz es aire, entonces 0 = 1 y la AN: DIFERENCIA NORMALIZADA ENTRE LOS ÍNDICES DE REFRACCIÓN DEL NÚCLEO Y DEL RECUBRIMIENTO

7. 1 0 1 2 0 TIPOS DE FIBRA 1 3 2 0 dn dn dr dr dc dc

8. 0 3 2 1 0 3 2 1 ÍNDICE ESCALONADO E ÍNDICE GRADUAL 0máx

9. Frente de onda PUNTO DE VISTA ÓPTICO MODOS DE PROPAGACIÓN A   d   C  B n  (n entero positivo) n  = AB cos(2 ) d = AB sin() Solo los ángulos  que determinan valores de n enteros positivos determinarán modos que se propagan en la fibra D Frente de onda cos(2 ) / sin() = n  / d

10. Z Onda TEM E X x H Y PUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICO MODOS DE PROPAGACIÓN Y EtEz EtEz EtEz Sección de fase constante TE01 TM01 HE11 Z X Modo híbrido (dominante) Modos transversales (Primeros dos superiores) Modos Transversales Eléctricos (TE): Et , Ht , Hz Modos transversales Magnéticos (TM): Et , Ez, Hz Modos Híbridos (HE o EH): Et , Ez , Ht , Hz

11. d d 2 2 p × × h - h V =p × × V AN 1 2 l l æ ö 2 V ç ÷ » n entero è ø 2 PUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICO MODOS DE PROPAGACIÓN FRECUENCIA DE CORTE NORMALIZADA V: Números n de modos soportados por la fibra de índice escalonado (solo V elevados) FIBRA MONOMODO (se propaga sólo el modo dominante HE11) V < 2.405 : diámetro del núcleo muy pequeño, AN pequeña, l relativamente grande 0máx

12. Dispersión de Rayleigh • Absorción ultravioleta • Absorción infraroja • Absorción iónica OH- • Modos dispersos • Acoplamiento modal • Curvaturas Resonancias OH- Atenuación (dB/km) 0 1 2 3 4 5 6 7 Dispersión de Rayleigh Cola UV Cola IR 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 o (m) PÉRDIDAS

13. 810-850 nm 1220-1340 nm 1540-1610 nm 0 1 2 3 4 5 6 7 Atenuación (dB/km) 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 o ( m) ESPECTRO DE ATENUACIÓN

14. m2 m3 Enviado Recibido A p A   i t t 0 t0 DISPERSIÓN INTERMODAL p A/2 A/2 m1 m1 A/3 pA/3 m2 2 P A/6 A/6 m3 3  t t t0 t0 i = índice de dispersión intermodal

15.        CB AB ( ) y sin c A æ ö 1 - - AB CB CB 1 ( ) ç ÷ y sin è c ø æ ö c -   1 2 ç ÷ d D × z CB CB ç ÷  è ø 2 æ ö D D × z CB ç ÷ C CB B - D è 1 ø æ ö D D × z z ç ÷ - D è 1 ø D × Dt z v f i h æ ö D 1 Dt × × z ç ÷ ie c - D è 1 ø 2 × h × D z 1 Para fibras de índice gradual: Dt × c ig 8 CÁLCULO DEL ÍNDICE DE DISPERSIÓN INTERMODAL Longitud total de la fibra = z Dispersión intermodal para fibra de índice escalonado

16. =20 nm (200 Å) Dispersión del material Dt × Dl D m m (m) Dispersión de Guía de Onda Dm ps/nm–km Para cualquier modo, las velocidades de las componentres frecuenciales en una guía circular dependen del cociente: En donde d es el diámetro del núcleo. Cualquier variación de  (por el hecho quela fuente no es perfectamente monocromática) produce una variación de estas velocidades y por ende dispersión. w6 ps/nm-km Silicio contaminado -200 -160 -120 -80 –40 0 40 Silicio puro l 2 o d × × D z n M d 2 c l d l 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 o ( m) DISPERSIÓN CROMÁTICA c = m+w I()

17. DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓN P En las fibras monomodo se propaga solamente el modo HE11 que sin embargo está constituido por dos modos degenerados polarizados ortogonalmente. Estos modos se propagan con la misma velocidad de grupo solo si la fibra es perfectamente circular. Cualquier desviación de esta condición (por defectos de fabricación, esfuerzos mecánicos, envejecimiento etc.) produce una anisotropía del medio, en el sentido que este presentará índices de refracción ligeramente diferentes según el eje tranversal considerado. Los modos constituyentes el HE11 polarizados ortogonalmente entre sí según los ejes transversales, experimentarán índices de refracción diferentes y por ende sus velocidades se diferenciarán, produciéndose dispersión.

18. A   t 0 DISPERSIÓN POR TIEMPO DE BAJADA DEL TRANSMISOR Y DEL RECEPTOR TR RE

19. 1 1 0 UP-NRZ t0 t r    é ù ps 2 2 2 Dt Dt + Dt + Dt ê ú f i c p ë û km ( ) 2 2 2  × t + t + Dt × [ ] 1.1 z ps r TR RE f DISPERSIÓN TOTAL En general, la dispersión debida a la fibra es: La dispersión total:

20. MÁXIMA DISPERSIÓN PERMITIDA: 70%  UP-NRZ 1 0 r máx=0.7/B Bmáx=0.7/ r r máx=0.7 Tb t0 t r =Tb 1 0 UP-RZ r máx=0.35/B Bmáx=0.35/ r r máx=0.7 Tb/2 t0 t r =Tb/2 Tb

21. Puerto óptico Puerto óptico 0.35 RZ × PBD 1 km Dt f 0.70 NRZ × PBD 1 km Dt f VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN x DISTANCIA (PBD) Es una constante que se considera un factor de mérito de la fibra. PBD B x Z ¿ Cuál es la máxima longitud Z del enlace ? La limitación puede depender de las pérdidas o de la dispersión del pulso (código RZ) DISEÑO DE UN ENLACE TÍPICO REPETIDOR Rx Tx Rx Tx Empalme Empalme R Fibra Fibra Fibra Fibra Z

22. Mb := B 50 s l := 1550 nm Gb := P 0 dBm LD = PBD 5 km s := - P 37 dBm APD := G 30 dB EDFA t := 200 ps TR 0.35 := P 6.75 dB t := 300 ps op Dt := Dt = RE 11.67 ns r r B := Empalme 0.1 dB 0.35 ns dB Dt := Dt = 0.07 := P 0.2 f f f PBD km km 2 := Dt Margen 6 dB r 2 2 - t - t TR RE 2 1.1 := Z 2 + - × - × - × + P P 2 P P n n G Empalme Margen Dt APD LD op f EDFA f = n 158.33 = Z 151.43 km Balance de pérdidas Balance de dispersión             La fibra está disponible en rieles de 1 km. Si llamamos n el número de empalmes necesarios (que vienen a coincidir con los km, es decir Z), tenemos: Z = 158 km

23. WDM (Wave División Multiplexing) Demultiplexer Óptico Multiplexer Óptico 1980: 2 canales 1310 nm, 1550 nm Wideband WDM 1990: 2-8 canales Ventana 1530-1610 nm Espaciamiento 400 GHZ Narrowband WDM 2.5 Gb/s por canal 1996: 16-40 canales Ventana 1530-1610 nm Espaciamiento 100-200 GHz DWDM (Dense WDM) 2.5-10 Gb/s por canal 1999: 64-160 canales Ventana 1530-1610 nm Espaciamiento 25-50 GHz DWDM (Dense WDM) 2.5-10 Gb/s por canal 200?: 128-256 canales UDWDM (Ultra Dense WDM) 10-40 Gb/s por canal

24. 1 32 1.. 32 1530 1534 1538 1542 1546 1550 1554 1558 1562 ESTÁNDAR ITU G.692 Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal con Amplificadores Ópticos Multiplexer • Rango: 1530-1565 nm • Número de canales: 4-8-16-32 • Espaciamiento mínimo 0,8 nm ( 100 GHz) • Se prohiben espaciamientos desiguales • Máxima distancia sin amplificadores: 160 km • Máxima distancia con amp. ópticos: 640 km •  de referencia: 1553,5 nm (193,1 THz) • Canales de superv.: 1310-1480-1510-1532 nm 32 canales 32 1

25. 1530-1610 nm Atenuación (dB/km) 0 1 2 3 4 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 o (m) LOS 32 CANALES VISTOS CONTRA EL ESPECTRO DE ATENUACIÓN DE LA FIBRA

26. 80000 4 = ´ 5.18 10 Frames 1.544 simultáneos 4 6 ´ × = ´ 5.18 10 24 1.24 10 Canales telefónicos simultáneos CAPACIDAD DEL SISTEMA Suponiendo que cada canal transporta 2.5 Gb/seg, entonces la fibra en total transporta 2.5x32=80 Gb/s. ¿ Cuántas conversaciones telefónicas simultáneas representa semejante velocidad de transmisión ? En el sistema PCM AT&T D1D de 24 canales, se transmiten 8 bit por muestra por canal, constituyendóse un frame de 8x24+1 bit de identificación del frame = 193 bit per frame. El teorema de muestreo establece que a un canal telefónico de 4 kHz deben tomársele 8000 muestras al segundo: esto significa que cada frame debe repetirse 8000 veces al segundo, lo cual representa una velocidad de transmisión de 8000x193=1.544 Mb/s. De manera que el sistema maneja: Lo cual significa:

27. 1 1 L1 D1 Fibra Fibra 2 2 L2 D2 Mux Demux Booster ILA Preamplifier N N LN DN ENLACE WDM L = Transmisor de Diodo Laser Mux, Demux=Multiplexer, Demultiplexer ópticos (prismas, rejillas de difracción, etc.) Booster, ILA (Intermediate Line Amplifier), Preamplifier: Amplificadores ópticos (Erbium Doped Fiber Amplifier) D = Receptor APD (Avalanche Photo Diode)