01 fibra optica - aspectos b�sicos de dise�o.pdf

ASPECTOS TÉCNICOS DE ASPECTOS TÉCNICOS DE LA FIBRA ÓPTICA PARA LA FIBRA ÓPTICA PARA

DISEÑO DE REDESDISEÑO DE REDESIng. Aurelio Bazán SánchezIng. Aurelio Bazán Sánchez

División de TelecomunicacionesDivisión de Telecomunicaciones

ESPECTRO ÓPTICOESPECTRO ÓPTICO

CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓNCONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓNPOR CABLE DE FIBRA ÓPTICAPOR CABLE DE FIBRA ÓPTICA

MUXMUX

EE OO OO EE

CH1CH1

CH2CH2

CHnCHn

CH1CH1

CH2CH2

CHnCHn

MUXMUXETLOETLOETLOETLO

RepetidorRepetidor

Cable de FibraCable de Fibra Cable de FibraCable de Fibra

MUX : Equipo MultiplexorMUX : Equipo MultiplexorETLO : Equipo Terminal deETLO : Equipo Terminal de

Línea OpticoLínea OpticoE : ElectrónicoE : ElectrónicoO : OpticoO : Optico

DISTANCIA ENTRE REPETIDORESDISTANCIA ENTRE REPETIDORES

Ventajas de la Fibra ÓpticaBaja atenuación.Gran ancho de banda. Transporte de gran cantidad de información.No afecto por ruidos eléctricos.Reducido tamaño y peso.Muy difícil violabilidad.Aislamiento eléctrico.Rentabilidad. Abundancia de material.

DesventajasDesventajasFragilidadFragilidadCosto de Equipamiento, incluido del Costo de Equipamiento, incluido del mantenimiento.mantenimiento.ManiobrabilidadManiobrabilidad

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

Relación entre la velocidad de la luz en Relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio.el vacío y en el medio.n = c/v , c = F.n = c/v , c = F.λλv no es constante para diferentes v no es constante para diferentes λλ en en un mismo medio, por lo que: n = f(un mismo medio, por lo que: n = f(λλ))n disminuye con respecto al ten disminuye con respecto al teóórico rico esperado.esperado.

VALORES DE ÍNDICES DE REFRACCIÓN

ÍNDICE DE REFRACCIÓN DEL GRUPOÍNDICE DE REFRACCIÓN DEL GRUPO

Refleja un factor de variación experimentada Refleja un factor de variación experimentada en la velocidad de propagación a través del en la velocidad de propagación a través del medio por el grupo de pulsos lumínicos.medio por el grupo de pulsos lumínicos.

n’ = n n’ = n -- λλdndn/d /d λλ..

n’n’nn

nn

λλ

LEYES ÓPTICAS

Leyes de la reflexión: ángulo de Leyes de la reflexión: ángulo de incidencia = ángulo de reflexión incidencia = ángulo de reflexión (superficie perfectamente plana)(superficie perfectamente plana)Leyes de la refracción: Leyes de la refracción: n1 sen n1 sen ααi = n2 sen i = n2 sen αα r.r.

SECCIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICASECCIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICA

RAYOS DENTRO DE LA FIBRA ÓPTICARAYOS DENTRO DE LA FIBRA ÓPTICA

CARACTERÍSTICAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Núcleo. n1.Formada por sustancias Núcleo. n1.Formada por sustancias isotrópicas isotrópicas y ópticamente transparentesy ópticamente transparentesRevestimiento. n2. Propicia la reflexión total.Revestimiento. n2. Propicia la reflexión total.Recubrimiento primario. n*. De una o más Recubrimiento primario. n*. De una o más capas de diferente módulo de capas de diferente módulo de YoungYoung..n* > n1 > n2 n* > n1 > n2

DIÁMETROS DIÁMETROS DE LA FIBRADE LA FIBRA

TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Por el tipo de perfilPor el tipo de perfilPor el comportamiento de la Por el comportamiento de la propagaciónpropagación

PERFILES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

N(r) = nN(r) = n11 {1 {1 -- 2(r/a)2(r/a)gg ∆∆nrnr}}1/2 1/2

Donde: Donde: r = cualquier distancia desde el centro.r = cualquier distancia desde el centro.g = parámetro del perfil. g = parámetro del perfil. a = radio del núcleo. a = radio del núcleo.

∆∆nr nr = diferencia normalizada de índices.= diferencia normalizada de índices.

TIPOS DE PERFILESTIPOS DE PERFILES

PERFIL DE UNA FIBRA DE ÍNDICE ESCALÓNPERFIL DE UNA FIBRA DE ÍNDICE ESCALÓN

TRANSMISIÓN EN UNA FIBRA MULTIMODOTRANSMISIÓN EN UNA FIBRA MULTIMODO

TRANSMISIÓN EN UNA FIBRA DE PERFIL TRANSMISIÓN EN UNA FIBRA DE PERFIL PARABÓLICOPARABÓLICO

TRANSMISIÓN EN UNA FIBRA MONOMODOTRANSMISIÓN EN UNA FIBRA MONOMODO

FRECUENCIA DE CORTE NORMALIZADA O PARÁMETRO ESTRUCTURAL (v)

Es un parámetro adimensional que relaciona los Es un parámetro adimensional que relaciona los parámetros geométricos, ópticos y longitud de onda parámetros geométricos, ópticos y longitud de onda de transmisión.de transmisión.V = (2¶a / V = (2¶a / λλ) A.N. ) A.N. Donde: Donde: a = radio del na = radio del núúcleo cleo λλ = longitud de onda de la luz = longitud de onda de la luz A. N. = Apertura numA. N. = Apertura numéérica.rica.v determina el comportamiento v determina el comportamiento monomodal monomodal del la del la fibra óptica.fibra óptica.

CONSTANTE DE PROPAGACIÓN NORMALIZADA

Parámetro que relaciona los valores de Parámetro que relaciona los valores de los diferentes índices de refracción en los diferentes índices de refracción en la fibra.la fibra.Conjuntamente con v permite Conjuntamente con v permite determinar los modos de transmisión determinar los modos de transmisión en una fibra óptica.en una fibra óptica.

NÚMERO DE MODOS PROPAGADOS

v <= 2.405 v <= 2.405 monomodomonomodov > 2.405 v > 2.405 multimodomultimodoM = (vM = (v22 / 2) (g / g+2)/ 2) (g / g+2)

LONGITUD DE ONDA DE CORTE

Es el valor de la mínima longitud de Es el valor de la mínima longitud de onda que determina un comportamiento onda que determina un comportamiento monomodal monomodal de una fibra óptica.de una fibra óptica.

DIÁMETRO DEL CAMPO MODAL

Es el valor del diámetro para el cual la Es el valor del diámetro para el cual la intensidad lumínica del modo fundamental se intensidad lumínica del modo fundamental se reduce al 37% del máximo valor alcanzado reduce al 37% del máximo valor alcanzado en el centro del núcleo.en el centro del núcleo.Depende directamente de v y del radio del Depende directamente de v y del radio del núcleo.núcleo.

CARACTERIZACIÓN DE LA FIBRA CARACTERIZACIÓN DE LA FIBRA ÓPTICAÓPTICA

Parámetros geométricos.Parámetros geométricos.Parámetros ópticos.Parámetros ópticos.Parámetros de transmisión.Parámetros de transmisión.

1.- PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

(Fibras multimodo)

Diámetro del núcleo.Diámetro del núcleo.NoNo circularidadcircularidad del núcleo.del núcleo.Error deError de concentricidadconcentricidad núcleo núcleo --revestimiento.revestimiento.Diámetro del revestimiento.Diámetro del revestimiento.NoNo circularidadcircularidad del revestimiento.del revestimiento.Diámetro del recubrimiento primario.Diámetro del recubrimiento primario.

NoNo circularidadcircularidad del recubrimiento primario.del recubrimiento primario.Error deError de concentricidadconcentricidad de revestimiento de revestimiento --recubrimiento primario.recubrimiento primario.

(Fibras monomodo)

Diámetro del núcleo.Diámetro del núcleo.No No circularidad circularidad del núcleo.del núcleo.Error de Error de concentricidad concentricidad núcleonúcleo--revestimiento.revestimiento.Diámetro del revestimiento.Diámetro del revestimiento.No No circularidad circularidad del revestimiento.del revestimiento.Diámetro del recubrimiento primarioDiámetro del recubrimiento primario

No No circularidad circularidad del recubrimiento primario.del recubrimiento primario.Error de Error de concentricidad concentricidad revestimiento revestimiento --recubrimiento primario.recubrimiento primario.

2.- PARÁMETROS ÓPTICOS(Fibras Multimodo)

Apertura numérica.Apertura numérica.Perfil de la fibra óptica.Perfil de la fibra óptica.Diferencia relativa de índices.Diferencia relativa de índices.

(Fibra Monomodo)

Apertura numérica.Apertura numérica.Perfil de la fibra óptica.Perfil de la fibra óptica.Longitud de Onda Límite.Longitud de Onda Límite.Diámetro del Campo Modal.Diámetro del Campo Modal.Error deError de concentricidadconcentricidad del Campo del Campo Modal.Modal.

3.- PARÁMETROS DE TRANSMISIÓN

Coeficiente de atenuación.Coeficiente de atenuación.Ancho de banda.Ancho de banda.

APERTURA NUMÉRICAAPERTURA NUMÉRICA

INSERCIÓN DE LUZ A LA FIBRAINSERCIÓN DE LUZ A LA FIBRA

DIFERENCIAS DE A.N.DIFERENCIAS DE A.N.

APERTURA NUMÉRICAAPERTURA NUMÉRICA

NORMATIVIDADNORMATIVIDADRec. G.651 UIT para Fibras Ópticas

Multimodo

Características geométricasDiámetro del núcleo: 50 Diámetro del núcleo: 50 um um ++-- 6%6%Error de Error de concentricidad concentricidad núcleo núcleo --revestimiento: < 6 %revestimiento: < 6 %No No circularidad circularidad del núcleo: < 6 %del núcleo: < 6 %Diámetro del revestimiento: 125 Diámetro del revestimiento: 125 um um ++-- 2.4 %2.4 %No No circularidad circularidad del revestimiento: < 2 %del revestimiento: < 2 %

Características ópticas

Perfil del índice de refracción: casi Perfil del índice de refracción: casi parabólico.parabólico.Apertura numérica: Valores entre 0.18 y 0.24, Apertura numérica: Valores entre 0.18 y 0.24, con desviaciones menores de 0.02con desviaciones menores de 0.02

Características de transmisión

Coeficiente de atenuación: Menor a 4 Coeficiente de atenuación: Menor a 4 dBdB//km km para 0.850 para 0.850 umum. Menor a 2 . Menor a 2 dBdB//km km para 1.300 para 1.300 umum. . Ancho de banda: Superiores a 200 Ancho de banda: Superiores a 200 Mhz Mhz x x kmkm. .

Rec. G.652 para Fibras Ópticas Monomodo

Características Geométricas

Diámetro del campo: de 8.6 a 9.5 Diámetro del campo: de 8.6 a 9.5 umum ++-- 10 % 10 % (para 1.300 (para 1.300 umum))Error de Error de concentricidad concentricidad del Campo Modal: < del Campo Modal: < 1 1 umum..Diámetro del revestimiento: 125 Diámetro del revestimiento: 125 um um ++-- 2.4 %2.4 %No No circularidad circularidad del revestimiento: < 2 %del revestimiento: < 2 %Longitud de Onda de Corte: Comprendida Longitud de Onda de Corte: Comprendida entre 1.10 a 1.28 entre 1.10 a 1.28 umum

Características de Transmisión

Coeficiente de atenuación: Menor a1 Coeficiente de atenuación: Menor a1 dBdB//km km para 1.300 para 1.300 um um y menor a 0.5 y menor a 0.5 dBdB//km km para para 1.550 1.550 umum..Coeficiente de dispersión cromática: Inferior Coeficiente de dispersión cromática: Inferior a 3.5 a 3.5 psps//nmnm..km km para 1.288 para 1.288 um um a 1.339 a 1.339 umum. . Inferior a 20 Inferior a 20 psps//nmnm..km km para 1.550 para 1.550 umum..

ATENUACION ÓPTICAATENUACION ÓPTICA

Materiales integrantes de la fibra óptica. Materiales integrantes de la fibra óptica. Material básico, Material básico, dopantes dopantes y residuales. y residuales. Nuevos materiales.Nuevos materiales.Mecanismos de atenuación. Mecanismos de atenuación. Factores intrínsecos Factores intrínsecos Factores extrínsecosFactores extrínsecos

a)

b)

d)

c)

a) Absorciónb) Impurezas c) Macro-curvaturad) Micro-curvatura

PRIMERAS VENTANAS DE OPERACIÓNPRIMERAS VENTANAS DE OPERACIÓN

EJEMPLOS DE RESPUESTA ESPECTRAL EJEMPLOS DE RESPUESTA ESPECTRAL DE ATENUACIÓNDE ATENUACIÓN

FIBRAS ÓPTICAS ACTUALESFIBRAS ÓPTICAS ACTUALES

20

10

0

-10

-20

Dis

pers

ión

(ps/

nm×k

m)

12000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Ate

nuac

ión

(dB

/km

)

1600 170014001300 1500

Longitud de onda (nm)

Ventana deoperación tradicional

Canales WDM(1440-1625 nm )

Pico de absorciónpor el agua

La magnitude de la pendiente es ideal para (10 Gb/s)

Segunda y quinta ventanaSegunda y quinta ventana 3ra 3ra ventvent..

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

WAVELENGTH (nm)

ATT

EN

UA

TIO

N (d

B)

Standard AllWaveTM

2 3 45

EJEMPLO DE UNA FIBRA ACTUALEJEMPLO DE UNA FIBRA ACTUAL

66

DEPENDENCIA DE LA LONGITUD DE ONDA Y LASDEPENDENCIA DE LA LONGITUD DE ONDA Y LASCURVATURASCURVATURAS

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 17000,0

3,0

2,0

1,0

atte

nuat

ion

coef

ficie

nt /

dB/k

m --

>

wavelength / nm -->

unbent fibermacro-bending

micro-bending

Efectos de curvaturaEfectos de curvatura

DISPERSION Y ANCHO DE BANDADISPERSION Y ANCHO DE BANDA

El ancho de banda es un parámetro fundamental de El ancho de banda es un parámetro fundamental de transmisión de la fibra óptica.transmisión de la fibra óptica.Es el valor de la frecuencia a la cual la magnitud de Es el valor de la frecuencia a la cual la magnitud de la función de transferencia decrece 3 la función de transferencia decrece 3 dBdB. Se expresa . Se expresa en en MHzMHz.Km..Km.La dispersión es un parámetro que determina el La dispersión es un parámetro que determina el volumen ó la capacidad máxima de información volumen ó la capacidad máxima de información transportada por unidad de longitud. Puede medirse transportada por unidad de longitud. Puede medirse en términos de retardo relativo.en términos de retardo relativo.La dispersión tiene efecto acumulativo con la longitud La dispersión tiene efecto acumulativo con la longitud de la fibra.de la fibra.

TIPOS DE DISPERSIÓN

Dispersión Modal ó Dispersión Modal ó intermodalintermodal..Dispersión Espectral, Dispersión Espectral, intramodal intramodal ó del ó del Material.Material.Dispersión por efecto Dispersión por efecto Guias Guias de Ondasde OndasDispersión por modo polarización.Dispersión por modo polarización.Efectos alineales.Efectos alineales.

LAS DISPERSIONES Y FACTORES

Las dispersiones modal y espectral son de Las dispersiones modal y espectral son de diferente naturaleza.diferente naturaleza.Las dispersiones espectral y de guía de Las dispersiones espectral y de guía de ondas pueden estar referidas a un mismo ondas pueden estar referidas a un mismo modo.modo.La dispersión modal en las fibras ópticas se La dispersión modal en las fibras ópticas se incrementa por su dependencia de la incrementa por su dependencia de la anchura espectral de haz luminoso inyectado anchura espectral de haz luminoso inyectado por la fuente.por la fuente.

DISTRIBUCIÓN DEL PULSO ÓPTICO EN LA FIBRA

La función de transferencia espectral de una fibra La función de transferencia espectral de una fibra óptica representa el comportamiento de la fibra ó óptica representa el comportamiento de la fibra ó respuesta de la misma, en función de la amplitud y respuesta de la misma, en función de la amplitud y frecuencia del pulso lumínico inyectado.frecuencia del pulso lumínico inyectado.Se considera una función de transferencia Se considera una función de transferencia gaussiana gaussiana cuando se trabaja con fibras ópticas óptimas.cuando se trabaja con fibras ópticas óptimas.El pulso lumínico recibido es el resultado del pulso El pulso lumínico recibido es el resultado del pulso lumínico inyectado, tras someterse a la función de lumínico inyectado, tras someterse a la función de transferencia espectral transferencia espectral gaussiana gaussiana de la fibra óptica. de la fibra óptica.

La respuesta en el tiempo y en la frecuencia adoptan La respuesta en el tiempo y en la frecuencia adoptan una distribución de Gauss cuya desviación típica se una distribución de Gauss cuya desviación típica se conoce como dispersión.conoce como dispersión.El aumento de la dispersión disminuye el ancho de El aumento de la dispersión disminuye el ancho de banda.banda.

ENSANCHAMIENTO DEL PULSOENSANCHAMIENTO DEL PULSO

DISPERSIÓN MODAL EN FIBRAS DE ÍNDICE DISPERSIÓN MODAL EN FIBRAS DE ÍNDICE ESCALÓNESCALÓN

Valores típicos de la dispersión modal en este tipo de Valores típicos de la dispersión modal en este tipo de fibra están comprendidos entre 20 y 50 fibra están comprendidos entre 20 y 50 nsns/Km./Km.

DISPERSIÓN MODAL EN FIBRAS DE ÍNDICE DISPERSIÓN MODAL EN FIBRAS DE ÍNDICE GRADUALGRADUAL

El parámetro g presenta una acusada dependencia El parámetro g presenta una acusada dependencia de la longitud de onda.de la longitud de onda.Los anchos de banda comerciales están Los anchos de banda comerciales están comprendidos entre 1 a 1.8comprendidos entre 1 a 1.8 GhzGhz.Km..Km.

DISPERSIÓN DEL MATERIAL

El ensanchamiento que sufre el pulso a El ensanchamiento que sufre el pulso a consecuencia de este fenómeno es: consecuencia de este fenómeno es: T = M(T = M(λλ ).L.).L.∆∆ ((λλ ) ) Donde: Donde: M(M(λλ )= Coeficiente de dispersión del )= Coeficiente de dispersión del

material material ∆∆ ((λλ ) = Anchura espectral de la fuente ) = Anchura espectral de la fuente

óóptica.ptica.

DISPERSIÓN DE GUIAS DE ONDA

T = G(T = G(λλ ).L.).L.∆∆((λλ ) ) G(G(λλ ) = Coeficiente de dispersión por ) = Coeficiente de dispersión por anomalías de parámetros ópticos y anomalías de parámetros ópticos y geométricos.geométricos.G(G(λλ ) = {) = {λλ / 4( ¶ a)/ 4( ¶ a)22nn11c} c} nsns/Km./Km.nmnm

Coeficiente de dispersión total = M(Coeficiente de dispersión total = M(λλ ) ) -- G(G(λλ ))

DISPERSIÓN TOTAL Y ANCHO DE BANDA

B = 0.44 / { [M(B = 0.44 / { [M(λλ ) ) -- G(G(λλ )] . )] . ∆∆ ((λλ ) . L }) . L }σσtt

2 2 = = σσmm22 + {+ {σσee + + σσgg }}22

BBtt = [ 1/B= [ 1/Bmm22 + 1/B+ 1/Bcc

2 2 ] ] --1/21/2

EJEMPLOS DE APLICACIONESEJEMPLOS DE APLICACIONES

FABRICACIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Fabricación de la Fabricación de la preforma.preforma.Métodos: VAD, Métodos: VAD, OVD, MCVDOVD, MCVD

ESTIRAMIENTOESTIRAMIENTODE LA PREFORMADE LA PREFORMA

CABLES DE FIBRA ÓPTICA

Composición: Composición: Núcleo óptico, Núcleo óptico, elementos de elementos de resistencia resistencia mecánica, cubiertas, mecánica, cubiertas, rellenos, armaduras, rellenos, armaduras, elementos de elementos de servicio.servicio.

CABLE AÉREO DE FIBRA ÓPTICACABLE AÉREO DE FIBRA ÓPTICA

SECCIÓN DE UN CABLE ÓPTICOSECCIÓN DE UN CABLE ÓPTICO