CAPITULO I

FUNDAMENTOS

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de las sociedades va de la mano con la capacidad de ésta para comunicarse entre sí, un buen sistema de comunicaciones representa desarrollo para los pueblos.

Las telecomunicaciones nacen de la necesidad de las personas para comunicarse entre sí; a lo largo de la historia de las telecomunicaciones han avanzado desde señales de humo, mensajeros, telégrafos entre otros; hoy en día ha nacido la tecnología de transmisión por fibra óptica que no lleva mucho tiempo en el mercado aproximadamente 40 años.

La comunicación por fibra óptica consiste en la transmisión de haces de luz que contienen la información por un medio o canal de transmisión (cable de fibra óptica) hacia un equipo receptor que recibirá y trabajara sobre la señal para poder obtener la información de la misma. Las frecuencias en los sistemas de fibra óptica se encuentran en el rango de 1∗1014 Hz y

4∗1014 Hz; por lo que se debe saber que mientras mayor es la frecuencia que se utiliza en la portadora, mayor será el ancho de banda a utilizar y por lo tanto la capacidad del sistema será mayor.

Historia

Ciertamente la fibra óptica es uno de los grandes avances y descubrimientos de la segunda mitad del siglo XX, pero gran parte de sus fundamentos provienen de estudios mucho más antiguos por lo que tiene más de un siglo de antigüedad como lo veremos a continuación.

En 1792, Claude Chappe construyó su telégrafo óptico, el cual se extendió en toda Francia; este sistema se basó en un elemento llamado regulador y a los dos extremos de éste se hallaban dos piezas pero de menor longitud, se posicionaban el regulador y sus dos piezas; cada posición representaba un código, por lo tanto los mensajes eran visuales y se encontraba sobre torres. Solo funcionaba en la luz ya que en la noche no se podía observar.

En 1880, Alexander Graham Bell realizó el fotófono, este aparato enviaba por medio de la luz mensajes vocales a corta distancia. Sin embargo la luz es convencionalmente omnidireccional, por lo que por falta de fuentes de luz adecuadas resultó ser poco viable.

En 1959 gracias a los estudios en física, se realizó la invención y construcción del rayo láser, con lo que volvió la idea de utilizar la luz como soporte para las comunicaciones, el problema ahora es el medio adecuado para transmitir.

El empleo de las fibras de vidrio como canal de transmisión resulto atractivo debido a características como tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste; este medio permitía guiar la luz mediante múltiples y sucesivas reflexiones internas de los rayos luminosos, pero en sus origines estas tenía altas atenuaciones.

En 1966 Kao y Hockman del Estándar Telecomunications Laboratory de Reino Unido, publican un artículo el que indicaba que la atenuación observada en las fibras de vidrio se debía a las impurezas originadas en su fabricación y no en su mecanismo de funcionamiento. A partir de esta fecha las atenuaciones presentes en la fibra se redujeron drásticamente.

1970 Corning obtiene fibras con atenuación 20 dB/km.

1972 Fibra Óptica con núcleo líquido con atenuación 8 dB/km.

1973 Corning obtiene Fibra Óptica de SiO2 de alta pureza con atenuación 4 dB/km y deja obsoletas a las de núcleo líquido.

1976 NTT y Fujicura obtienen Fibra Óptica con atenuación 0,47 dB/km en 1.300 nm, muy próximo al límite debido a factores intrínsecos (Rayleigh).

1979 Se alcanzan atenuaciones 0,12 dB/km con fibras monomodo en 1550 nm. También en 1975 se descubría que las F.O. de SiO2 presentan mínima dispersión en torno a 1300 nm, lo cual suponía disponer de grandes anchuras de banda para la transmisión, en cuanto la dispersión del material de la fibra constituye un factor intrínseco limitativo. Las nuevas posibilidades que ofrecían las F.O. también estimularon la investigación hacia fuentes y detectores ópticos fiables, de bajo consumo y tamaño reducido:

1970 Primer láser de AIGaAs capaz de operar de forma continua a temperatura ambiente. Sin embargo, el tiempo de vida medio era de unas pocas horas. Desde entonces, los proceso han mejorado y hoy es posible encontrar diodos láser con más de 1.000.000 horas de vida media.

1971 C.A. Burrus desarrolla un nuevo tipo de emisor de luz, el LED, de pequeña superficie radiante, idóneo para el acoplamiento en F.O. Por lo que se refiere a los fotodetectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de Si, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El Ge era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 nm, y ya en 1966 se disponía de ellos con elevadas prestaciones eléctricas. Sin embargo, la corriente de oscuridad (ruido) del Ge es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como InGaAsP. El primer PIN de InGaAs se realiza en 1977.

Espectro electromagnético

Ventanas de operación

Principio físico de la propagación

Indice de refracción

Ley de snell

Ángulo crítico

Cono de aceptación

Apertura numérica

Ejercicios

Ejercicios propuestos

Pérdidas de la fibra óptica

PÉRDIDAS INTRÍNSECAS

Aquellas pérdidas debidas a factores propias de la naturaleza de la fibra óptica, medidas geométricos y ópticos.

Depende de su construcción. No se puede eliminar o corregirlas.

En una unión de fibras ópticas, cualquier diferencia que exista entre las fibras dará lugar a pérdidas intrínsecas.

Uniones de fibras monomodo.

En esta clase de uniones las pérdidas dependen del desajuste del radio de campo modal (ω¿, El radio del campo modal está asociado al diámetro de campo modal (2ω) (MFD), el cual nos indica la distribución geométrica de la luz en el modo de propagación, por tanto las diferencias entre los radios del campo modal de las fibras que intervienen en la unión resultan en pérdidas en la señal.

Figura .- Diámetro de campo modal (MFD) de una fibra MM

PérdidasMFD=−10 log104

(ω1

ω2

+ω2

ω1)

2

Donde ω1 y ω2 son los radios del campo modal de las fibras

Uniones de fibras multimodoCualquier diferencia de magnitudes en las fibras implicadas en la unión dará como resultado pérdidas de potencia en la señal.

Pérdidas por desajuste de la Apertura numérica(NA). Union de fibras de diferentes NAs.

Figura .- Perdidas por desajuste de la Apertura Numérica (NA)

PérdidasAN={−20 log10

NA2

NA1

, NA2<NA1

¿0 ,NA 2≥ NA1

DondeNA1 y NA 2 son aperturas numéricas de la fibra de transmisión y recepciónLa transmisión de una fibra de NA mayor hacia una de NA menor tendrá mayor perdida, que si se lo hiciera en la dirección opuesta

Perdidas por el desajuste del diámetro del núcleo. Unión de fibras de diferentes diámetros de campo modal

Figura .- Perdidas por desajuste del diámetro del núcleo (∅ n)

Pérdidas∅ n={−20 log10

∅ n2

∅ n1

,∅ n2<∅ n1

¿0 ,∅ n2≥∅ n1

Donde∅ n2 y∅ n1 son los diámetros del núcleo de las fibras La luz que procede de una fibra con un núcleo mayor registrará una pérdida óptica alta al unirse en una fibra de diámetro más pequeño y al contrario se tendrá una pérdida óptica mínima.

Perdidas por el desajuste del perfil del índice de refracción del núcleo.

Figura .- Perdidas por desajuste del perfil del índice de refracción del núcleo (∝)

Pérdidas∝={−20 log10

∝2(∝1+2)∝1(∝2+2)

,∝2<∝1

¿0 ,∝2≥∝1

Dondeα 1 y α 2 son los perfiles de índice de los núcleos de las fibras

PÉRDIDAS EXTRÍNSECAS

Son aquellas perdidas ajenos a la naturaleza a la fibra óptica, aquellos que están condicionados por el estado en que se produzca la unión.

Parámetros a considerar:

Medio existente entre las fibras Separación Desviaciones laterales Desviaciones angulares entre los ejes.

Figura.- Separación longitudinal entre fibras

Figura.- Desviación lateral o desplazamiento lateral

Figura.- Desviación angular o desplazamiento angular

Reflexión de FresnelPerdida ocasionada por la variación del índice de refracción en la interface de la unión, lo que ocasiona que una parte de la luz se refleje hacia la fibra que esta transmitiendo. La magnitud de luz reflejada (suponiendo que no se supera el ángulo crítico que obtenemos por la ley de Snell) es:

r=( n1−nn1−n )

2

Donde:r=¿ Fracción de luz reflejada o reflectividadn1=¿Indice de refracción del medio en el que se mueve la luzn=¿Medio al que pasa la luz o medio entre las fibras unidas

Figura.- Reflexión de Fresnel

La pérdida en dB’s está dada por la siguiente expresión

PérdidasFresnel=−10 log10(1−r )2

Se utiliza la misma expresión sin importar el tipo de fibra involucrada en la unión Uniones de fibras monomodo

Además de las pérdidas por reflexión de Fresnel las pérdidas extrínsecas se dan por separaciones entre los ejes, desviaciones laterales o angulares.Tipos:

Pérdidas por separación longitudinal: entre los ejes

PérdidasLON=−10 log101

1+( λz2 π nmedioω

2 )2

Donde:

λ= longitud de onda

z= Separación entre las fibras

nmedio = Índice del medio entre ellas

= Radio de campo modal.

Pérdidas por desviación lateralLa pérdida puede ir de un par hasta varias décimas de decibelio, o hasta varios decibelios. Esta pérdida suele ser despreciable si los ejes de las fibras se alinean a menos de 5% del diámetro de la fibra menor. Para un desplazamiento del 10% del diámetro del núcleo de la fibra las pérdidas son de 0.6dB aprox.

PérdidasLAT=−10 log10[e(− y2

w2 )]Donde

y = desviación lateral entre las fibras

ω = Radio de campo modal.

Estás perdidas se aumentan cuando se quiere alinear fibras que tiene un núcleo elíptico, o si aun teniendo ambas fibra el núcleo circular, el centro de ambos este desplazado.

Pérdidas por desviación angularSi el desplazamiento angular es menor que 2°, la pérdida será menor que 0.5 dB.

PérdidasANG=−10 log10[e−(πnmedioωsenθλ )

2

]Donde:

λ = longitud de onda

θ =Desviación angular entre las fibras

nmedio= índice del medio entre ellas

ω =Radio de campo modal.

Estas pérdidas crecen según crece el ángulo de desviación y según crece la apertura numérica

Uniones de fibras multimodoEstas pérdidas están condicionadas por la separación longitudinal entre los ejes, una desviación lateral entre los mismos o una desviación angular. Las expresiones para cada uno de los tipos de pérdidas son:

Pérdidas por separación longitudinal: entre los ejes

PérdidasLON=−10 log10 [ 1

1+za

tan(sen−1 NAnmedio) ]

2

Donde:

z= Separación entre las fibras

a=¿ radio de núcleo

nmedio = Índice del medio entre ellas

NA= Apertura Numérica.

Pérdidas por desviación lateral

PérdidasLAT=−10 log102π [cos−1( y

2a )− y2a √1−( y

2a )2]

Dondey =desviación lateral entre las fibras

a=radio del núcleo.

Para fibras de índice gradual esta la siguiente ecuación.

PérdidasLAT=−10 log10(1− 2πyaα+2α+1 )

Donde y = desviación lateral entre las fibras

a = radio del núcleo

α = perfil de las fibras

Estas pérdidas se incrementan al intentar alinear fibras que tiene un núcleo elíptico, o bien porque si en ambas fibras el núcleo es circular, el centro de ambos este desplazado.

Pérdidas por desviación angularSi el desplazamiento angular es menor que 2°, la pérdida será menor que 0.5 dB.

PérdidasANG=−10 log10[1− nmedioθ

1880NA ]Donde:

θ=Desviación angular entre las fibras

nmedio= índice del medio entre ellas

NA = Apertura Numérica

Atenuación

La atenuación en una fibra óptica se define como la perdida de potencia de la señal óptica (onda luminosa) a medida que se propaga o atraviesa el cable, esta pérdida de potencia provoca la pérdida de potencia de la onda luminosa a través de la fibra óptica. Dando lugar a varios efectos desfavorables sobre el funcionamiento, ya que reducen

Ancho de banda del sistema La rapidez en la transmisión de información La eficiencia La capacidad del sistema

La pérdida de potencia óptica en un cable de fibra se mide en dBy la fórmula para expresarla es:

A (dB )=10 log( P sal

Pent)

Donde A (dB )=¿reduccion total de potencia (atenuación)

Psal=potencia de salida del cable (vatios)

Pent=potencia de entrada al cable (vatios)

Las fibras multimodales tienden a tener mayores pérdidas de atenuación que los cables monomodales, debido principalmente a la mayor dispersión de la onda luminosa, producida por las impurezas.

La atenuación de la fibra óptica se expresa en decibelios de pérdida de luz por unidad de longitud dB /km. Lo que quiere decir que la atenuación es inversamente proporcional a la distancia.

Factores de atenuación

Potencia óptica (watts), medida a determinada distancia de la fuente de potencia se puede calcular con la siguiente ecuación:P=P t(10)−Al /10

Donde P=Valor medido de la potencia (vatios)

Pt=¿Potencia de transmisión (vatios)

A= Perdidas de potencia en el cable (dB /km)

l=¿Longitud del cable (Km)

La potencia óptica en decibelios es:

P (dB )=Pent (dBm )−Al

Donde P=Valor medido de la potencia (dBm )

Pent=¿Potencia de transmisión (dBm )

A= Perdidas de potencia en el cable (dB /km)

Tabla Atenuación en el cable de fibra (dB /Km)

Tipo de fibra

Diametro Núcleo

Diametro Revestimient

o

Ventana 1 850

Ventana 2 1310

Ventana 3 1550

monomodo

5 85 ó 125 2.5

8.1 125 0.5 0.25multimodo 50 125 2.4 0,6 0.5

62.5 125 3 0,7 0.3100 140 3.5 1,5 0.9

Pérdidas por absorciónLa pérdida por absorción en las fibras ópticas es análoga a la disipación de potencia en los cables de cobre; las impurezas en la fibra absorben la luz y la convierten en calor. Absorción ultravioleta. Se produce por los electrones de valencia en el material silíceo con el que se fabrican las fibras. La ionización equivale a una pérdida en el campo luminoso total y en consecuencia contribuye a las pérdidas de transmisión en la fibra.Absorción infrarroja. Es un resultado de los fotones de luz que son absorbidos por losátomos de las moléculas del núcleo de vidrio. Los fotones absorbidos se transforman en vibraciones mecánicas aleatorias, características del calentamiento.Pérdidas en material, o por dispersión de RayleighCuando los rayos de luz están propagándose por la fibra y chocan con una impureza esta se difracta, haciendo que la luz se disperse, parte se esté continúa con su recorrido y la otra parte escapa a través del revestimiento, los rayos que se escapan representan una pérdida de potencia.

Figura.- Reflexión de Fresnel

En la zona por debajo de los 800nmpresenta alta atenuación

λ (nm)

Una zona por encima de los 1600 nm es afectada por los rayos infrarrojos

Curvaturas

Siempre que la fibra se somete a una curvatura por bobinado, tendido,etc., se origina una atenuación adicional por el hecho de que el interfaz nucleo-revestimiento deja de ser geométricamente uniforme.

Microcurvatura

Pérdidas por acoplamiento

Dispersión

Dispersión modal (sm)

Dispersión intramodal (sc)

Factor de calidad o mérito de la fibra óptica

Error de concentridad y no circularidad