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Sistemas de Trasmisión por Fibra Óptica

Índice.

1. Introducción. 2

2. Antecedentes.3

3. Objetivo.4

4. Marco Teórico.4

1. Principio de Generación del Fotón.4

2. Generación de Luz4

3. Sistema de Transmisiones Ópticas.6

4. Fuentes Ópticas.6

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5. Requerimientos.6

6. Tipos de Fuentes Ópticas.7

7. Diferencia entre Diodos LED e ILD.7

8. Ventajas de los ILD Sobre los LED.8

1. Ventajas.8

2. Desventajas.8

9. Transmisor Óptico.9

10. Equipos de Transmisión Óptica. 9

5. Bibliografía. 17

1. Introducción.

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La fibra óptica, o la tecnología óptica, se convierte rápidamente en el método preferido para la transmisión digital. Las fibras ópticas superan las desventajas de las microondas. Presentan un gran ancho de banda

El cable de fibra óptica supone también un apropiado sustituto a los cables de pares debido a su mayor capacidad y su más pequeño diámetro. El diámetro es una característica importante cuando las vías de comunicación resultan congestionadas y deben ser aumentadas para contener más cables portadores. Sustituyendo un único cable de cobre por fibra óptica se puede, generalmente obtener la suficiente capacidad para prevenir los incrementos de vías de comunicación en el futuro. Quizás la principal desventaja sea mantener la fibra libre de daños. Al igual que los cables de cobre, las fibras ópticas pueden deteriorarse por las excavaciones, corrimientos de tierras, etc.

Conceptualmente, un sistema por fibra óptica es similar a un sistema de microondas. Las principales excepciones son: el medio de transmisión para las ondas luminosas, es una pequeña guía de onda de vidrio, el lugar del espacio libre, y que la transmisión tiene lugar a frecuencias ópticas, que tienen una longitud de onda más corta que las microondas. Mientras que a las microondas se las designa generalmente por su banda de frecuencias, a las ondas luminosas se la referencia por su longitud de onda

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2. Antecedentes.

La comunicación óptica es una idea que ha estado rondando durante más de un siglo, pero sólo se hizo factible en los últimos años. Alexander Graham Bell, en la primera aplicación óptica conocida, obtuvo una patente para su fotófono en el año 1880. El fotófono era un equipo que modulaba un rayo de luz enfocado procedente del sol, y radiado al espacio libre hacia un receptor próximo. El sistema funcionó bien, pero la radiación de la luz en el espacio libre presenta varias dificultades que podrían no haber sido vencidas con los equipos disponibles en aquel tiempo. Como muchas otras ideas, ésta se situó por encima de su tiempo. La comunicación luminosa en el espacio libre es ahora factible si la aplicación puede tolerar perturbaciones ocasionales causadas por la niebla, el polvo, turbulencias y cualquier otro elemento perturbador.

Mencionado un punto importante que fueron desarrollos en el campo de las comunicaciones ópticas pasaron desde la teoría a la práctica.

El primero de ellos tuvo lugar en 1960 con la invención del rayo laser. Un laser produce un inmenso haz de luz casi coherente, es decir, sus rayos viajan por caminos paralelos.

El segundo acontecimiento que impulsó las comunicaciones ópticas fue el desarrollo de fibra de vidrio, de tal pureza que solamente es atenuada una pequeña porción de la señal luminosa emitida. Con una fuente laser disparada a alta velocidad, los cero y los unos de una comunicación digital pueden transmitirse hacia un detector, que generalmente se trata de un fotodiodo de avalan (APD) o de un diodo PIN.

Ya que la Característica mas importante es el detector que convierte los impulsos de luz recibidos en pulsos eléctricos, y los acopla al equipo receptor. Dependiendo de las

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pérdidas en la fibra y de la ganancia del sistema, se determinará el espaciamiento apropiado entre repetidores o regeneradores de señal. La ganancia de un sistema por fibra óptica es un concepto similar al de la ganancia en un sistema de microondas.

3. Objetivo.

Demostrar las Fuentes Ópticas Principales en una transmisión por Fibra.

4. Marco Teórico.

1. Principio de Generación del Fotón.

En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10 -19 julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión. Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de movimiento o momento lineal, y tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición, o cantidad de movimiento.

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La liberación de energía es realizada en la forma de fotones. El fotón es el menor valor de energía de un proceso cuántico. Sin embargo, la energía de un fotón depende de la longitud de onda de la radiación asociado al fotón.

2. Generación de Luz.

Un fotón es una oscilación o una partícula, una conjunción de ondas, y un paquete de energía electromagnética.

Su aspecto de partícula está relacionado con su momento lineal su existencia como partícula y la presión que ejerce sobre la materia adyacente. Su cuantificación está relacionada con su momento angular constante, y su energía cuantificada forma dos espectros diferentes de cuerpo negro e ionizante.

Los fotones no viajan a través del espacio, ni tienen una estructura fibrosa. Los fotones son globulares y son creados y destruidos al momento. Los rayos son simplemente una forma probabilística de aproximar la realidad física de la onda de fase o de excitación que transmite a través del espacio el estímulo indirecto para la producción de luz. En el caso de fotones de cuerpo negro, siempre tiene que intervenir un intermediario entre la onda de fase y la producción de fotones, o luz; el intermediario es siempre una carga con masa.

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3. Sistema de Transmisiones Ópticas.

Diagrama de bloques de un sistema de trasmisiones ópticas

4. Fuentes Ópticas.

Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.

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5. Requerimientos.

Los requerimientos principales para una fuente óptica son:

1. Dimensiones compatibles con el de la fibra.

2. Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.

3. Gran capacidad de modulación.

4. Modulación directa.

5. Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.

6. Funcionamiento estable con la temperatura.

7. Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).

8. Bajo consumo de energía.

9. Economía.

10. Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra.

11. Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada.

12. Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra.

1. Tipos de Fuentes Ópticas.

El láser de semiconductores (diodo laser) y el LED (diodo electroluminiscente) se usan universalmente como fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones ópticas, debido a ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente

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a las altas velocidades de transmisión requerida, con tan baja excitación y tan baja salida.

La elección entre el láser y el LED es función del sistema: para anchos de banda grandes y largos enlaces, el láser ofrece un mejor rendimiento. Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores limitativos, se suele escoger el LED, ya que tanto el circuito de ataque como el de control son más sencillos.

Diodo emisor de luz (LED) (Light Emitting Diode).

Las fuentes de luz no coherente LED son una unión p-n polarizada que emiten radiación óptica de acuerdo con la intensidad eléctrica que se haga pasar por la misma.

Básicamente existen tres clases de diodos LED utilizados en los sistemas de transmisión de fibra óptica y son:

LED de emisión lateral o por el borde, ELED.

Este tipo de LED presenta una superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el mismo plano de la unión p-n, consiguiendo así que la luz radie de forma transversal haciéndose más directiva y las pérdidas de acoplamiento a la fibra sean menores.

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1. LED súper luminiscente, SLD.

Su particularidad radica en que una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por tiene una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto laser no se presenta pero hay una cierta amplificación.

2. LED por emisión superficial, SLED.

Este tipo de LED fue desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps). Este tipo de LED emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como diodo de

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Burrus. Son más eficientes que los anteriores y permiten que se acople más potencia en la fibra óptica. Sin embargo, son más costosos y difíciles de elaborar.

Proceso de emisión.

El proceso de generación de la luz en un LED se basa en la recombinación de electrones y huecos en una unión p-n, lo que provoca emisión de fotones.

A este efecto se le llama electroluminiscencia. La longitud de onda de la luz emitida depende de la diferencia de energía E entre los niveles energéticos:

Donde h es la constante de Plank y c la velocidad de la luz. En un LED la luz se emite según los 360° que se corresponden en una radiación esférica, pero en la práctica esto queda limitado por la construcción mecánica del diodo, la reflexión de la luz en el material metalizado y la absorción en el metal semiconductor.

La apertura numérica puede variar desde 0,9 para un LED de gran ángulo hasta 0,2 para uno de estrecho ángulo. Aunque la apertura numérica de 0,2 es bastante pequeña, el área de emisión es grande comparada con la de un laser. La baja densidad de potencia resultante reduce enormemente la potencia que se puede acoplar a una fibra de índice gradual y hace casi imposible el acoplo a una fibra monomodo.

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Un ancho de banda típico para un buen diodo es de 200Mhz. Rendimientos de 50 W/mA son usuales, y no se requiere corriente umbral.

La luz del diodo puede filtrarse, de modo que solamente parte del espectro total pase a la fibra, pero esto se hace a costa de una disminución de la potencia disponible de la fuente de luz.

LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation).

Son Fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica, así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).

El laser se caracteriza por emitir haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes, lo que produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos espectrales y el haz de luz sea mucho mas directivo.

Entre los principales tipos de diodos laser se tiene:

3. Fabry Perot.

Este diodo laser está constituido por dos espejos en los extremos de la guía, constituyéndose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.

4. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser).

El laser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a

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través de un área circular en la superficie. Posee menor corriente de umbral a la cual se presenta el efecto laser, además consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida útil. Se usa comúnmente con la fibra multimodo.

5. DFB (Distributed FeedBack Laser).

En el laser de retroalimentación distribuida la red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el laser, en una línea muy fina del espectro.

6. DBR (Distributed Bragg Reflector).

El reflector de Bragg distribuido, en este dispositivo la red de difracción esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).

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Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones de temperatura.

Proceso de emisión.

El proceso de generación de luz es similar al del LED. Las diferencias radican en el volumen de generación, más pequeño en los diodos laser, y en una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una ganancia óptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente. La pastilla láser suele tener una longitud de 300m, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a modo de espejos. El origen de la misión de fotones es la recombinación directa electrón-hueco en la capa activa.

En el plano vertical, confinamiento óptico y de los portadores se obtiene revistiendo la capa activa con capas pasivas (de tipo p y de tipo n). Estas capas poseen un intervalo entre bandas superior al de la capa activa, formando así un pozo de potencial que impide a los portadores inyectados el escapar mediante difusión. Así mismo, las capas pasivas tienen un índice de refracción inferior al de la capa activa, con lo que se forma una guía de ondas ópticas que confina la luz en el plano de la capa activa, al propagarse entre los espejos. Esta estructura da lugar a que la corriente en los laterales de la zona activa sea muy pequeña. La zona activa tiene unas dimensiones típicas de 5nm a 10nm de ancho y 0,1nm a 0,2nm de espesor. En la región de emisión espontánea el espectro de un laser es muy

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parecido al de un LED, siendo la ganancia típica de 5W/mA, menor que la ganancia típica de un LED.

A partir de una cierta densidad de corriente en la zona activa, la ganancia óptica excede a las pérdidas y la emisión pasa de espontánea a estimulada. La corriente a la que se produce el cambio se denomina umbral. Esta corriente es baja en láser e heteroestructura, entre 50mA y 150mA.

La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente a una fibra multimodo juntando simplemente a tope un extremo de la raya del laser contra el extremo del núcleo de la fibra, que tienen un diámetro mucho mayor. También puede acoplarse a una fibra monomodo. El problema principal consiste en que la unión laser tiende a ser tan fina que la luz diverge al salir del extremo. Este problema puede solucionarse mediante una diminuta lente cilíndrica que reoriente la luz a lo largo de la fibra.

Láser se utiliza generalmente en sistemas de comunicación con:

1. Potencias ópticas de salida alta.

2. Fibras nomomodo o multimodo.

3. Alta velocidad máxima de modulación y grandes capacidades de transmisión.

4. Gran longitud, donde se requiere alta potencia y baja dispersión en la fibra.

1. Diferencia entre Diodos LED e ILD.

Emisión de luz de LED-ILD

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Diferencias entre LED-ILD

2. Ventajas y desventajas de Los ILD sobre los LED.

1. Ventajas

1. Como los ILD tienen una dirección de irradiación mas dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las perdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas.

2. La potencia de salida radiante de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD en 5mW (7dBm), en comparación con

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Item LED ILDTipo de Fibra MM SM, MMTx de Datos Bajo AltoTiempo de vida Largo CortoCosto Bajo Alto


0.5mW (-3dBm) para lo LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias.

3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o

longitudes de onda.

1. Desventajas

1. Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED.2. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones menores

que las de los LED.3. Los ILD dependen más de la temperatura que los LED.

1. Transmisor Óptico.

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Comparación entre diodos LED y Láser La siguiente tabla compara las principales características entre diodos láser y LED. A lo largo del curso se discuten estas características en mayor detalle.

Ciclo de trabajo El ciclo de trabajo de un circuito astable es la proporción del ciclo completo para la cual la salida es alta (el tiempo de marca). En general se lo expresa como porcentaje.

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Velocidad de transmisión de datos Velocidad de transmisión de datos: Es la cantidad de bits de información en un sistema de transmisión, expresado en bits por segundos (b/s o bps), y que no necesariamente debe ser igual a la velocidad de baudios.

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Tipos de láser: los más comunes (sin incluir los de semiconductor)

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2. Equipos de Transmisión Óptica.

Fuente de iluminación óptica.

Características:

1. 8 canales de módulos de fuente seleccionables por el usuario de laser.2. Estabilidad de la longitud de onda de ±3pm con estabilidad de la energía de

±0.003dB. 3. Fuentes especificadas cliente del WDM DFB que cubren S, C, y L vendas en

hasta 20mW por el canal.4. Modulación síncrona interna a 500KHz.5. Módulos de interruptor ópticos de fibra disponibles.6. Interfaces GPIB/IEEE488 y RS-232.

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http://www.ilxlightwave.com/


El FOM-7900B es una plataforma fibroóptica de alto rendimiento de la prueba y del desarrollo con ocho canales que apoyan fuente de laser enchufable y los módulos de interruptor ópticos de fibra. Este sistema proporciona una solución rentable para los usos de prueba del WDM y de CWDM incluyendo EDFA, SOA, y la caracterización componente óptica de fibra.

Los módulos enchufables del panel de delante se ofrecen en las longitudes de onda definidas por el usuario de 1475-1625nm incluyendo los canales del servicio en 1310, 1480, 1510, y 1625nm. Cada canal se puede templar sobre una gama 1.7nm con la resolución 0.001nm. Estas fuentes se pueden modificar para requisitos particulares para cumplir requisitos especiales incluyendo tipo óptico del conectador de fibra, alineación y fibra del P.M., y longitud de onda de centro en puntos de rejilla del ITU.

Para requisitos de sistema más altos del WDM de la densidad, hasta 25 unidades centrales adicionales de FOM-7900B se pueden ligar juntas para un total de 200 canales, todo controlado de una sola dirección del bus de interface de fines generales.

La rápida evolución de los LED permite actualmente disponer de una fuente de iluminación para fibra óptica basada en esta tecnología. Schott-Fostec ha desarrollado esta fuente de iluminación con el propósito adicional de tener una fuente de luz de la máxima duración, haciendo adecuada la combinación de la fibra óptica y los LED para las

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http://www.us.schott.com/fiberoptics/english/contact/index.html


aplicaciones industriales donde no se debe interrumpir la producción. Esta nueva fuente viene equipada con un potenciómetro, que permite adaptar la potencia de la luz a su aplicación. Puede incluir opcionalmente un mecanismo de obturación controlable, así como un sistema de regulación remoto vía Ethernet o RS-232 que permite el control desde cualquier sistema externo.

MODELO Fuente de Iluminación

Color Long. de Onda

Dimensiones Control

SCH-A20960 LED roja 625129x197x63mm

RS-232/Ethernet

SCH-A20960.1 LED blanca 432129x197x63mm

RS-232/Ethernet

SCH-A20960.2 LED verde 525129x197x63mm

RS-232/Ethernet

SCH-A20960.4 LED azul 470129x197x63mm

RS-232/Ethernet

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http://www.elinca.it/


Iluminador halógeno para iluminación de fibra óptica

ELINCA produce fuentes de luz con tres tipos de familias de las lámparas: Los LED, HALÓGENO, HALURO del METAL, en diversos wattages a partir del 3 labran 250w. El denominador común de la amplia gama de fuentes de luz es el alto rendimiento, la larga vida, la instalación fácil y el mantenimiento reducido.

1. Cuerpo en de aluminio y/o plateado de metal sacada. Pintura de epoxy.2. Componentes de la Hola-calidad conforme a los estándares europeos.3. Ventiladores de enfriamiento silenciados del alto rendimiento.4. Fusibles de la protección y protecciones termales del recomenzar

automático.5. Reflectores en vidrio fresco dicroico del espejo o aluminio estupendo-puro

metalizado del alto vacío.6. Color, IR y filtros ULTRAVIOLETA en vidrio con el tratamiento dicroico.

Versiones IP40 a petición.7. Voltajes especiales a petición.

Conversores de Medio

Media Converter Adecomm 10/100/T a 100Fx tipo “Bridge”

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El Media Converter 10/100Base-TX to 100/FX Bridge de Adecomm cumple con los estándares IEEE 802.3u, 802.3x, 802.1P. El puerto UTP es “MDI/MDI-X” autonegociable. Sus 6 indicadores de LED muestran, POWER, FX LINK/ACT, 100, TPLINK/ACT, FDX/COL.

1. Función “Link Pass Through” (Apaga PUERTO REMOTO si cae PUERTO LOCAL).

2. “Full Lenght frame” (1600 bytes) bits Del trunking de identificación V-LAN.

Media Converter Adecomm 10/100/T to 100Fx tipo “BIDI”

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El Media Converter BIDI Adecomm utiliza tecnología de Multiplexación de la longitud de onda “Wavelenght Division Multiplexing” (WDM) y transporta las señales Full dúplex en modo “bidireccional” sobre una única fibra. Así, es muy sencillo “duplicar” la capacidad física instalada. La serie BIDI posee la función “Link Pass Through” (Apaga PUERTO REMOTO si cae PUERTO LOCAL).

Media Converter Adecomm 10/100/T a 100Fx tipo “POE”

Adecomm presenta su convertidor tipo “POE” (Power Over Ethernet). Compatible con el estándar IEEE 802.3af PoE y través de la simple conexión de su cable de datos recibe la alimentación de corriente necesaria para su uncionamiento.Todos los parámetros técnicos de los conversores son similares a los de los modelos tipo bridge y tipo BIDI. Los inyectores y los divisores de tensión se adquieren por separado.

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3. Bibliografía.

1. Sistemas de comunicaciones electrónicasWayne Tomasi

2. Sistemas de transmisiónMaría José Salmerón Domínguez- Daniel López Navarro

3. Manual de Fibras ÓpticasHentschel, C.

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