dr. daniel enrique ceballos herrera profesor-investigador uanl · 2015-03-17 · aplicación en...
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Dr. Daniel Enrique Ceballos HerreraProfesor-Investigador
UANL
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1. Cronología telecomunicaciones vía fibra óptica
2. Incrementando la capacidad de transmisión
a) Multiplexado frecuencial (WDM, WDM-PON)
b) Multiplexado espacial (SDM)
c) Nueva ventana de transmisión a 2µm
3. Láseres y Dispositivosa) Filtros sintonizables
b) Convertidores Modales
c) Láseres Multi-longitud de onda
4. Contexto Actual en México
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=
Dr. Charles Kao
(Premio Nobel 2009)
Hace años …Actualmente
Descripción de una fibra óptica
Método de guiado de luz
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Clasificación
Monomodo
(Un solo modo guiado en el núcleo)
Multimodo
(Varios modos guiados en el núcleo)
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Sistema de transmisión vía fibra óptica
Capacidad de transmisión en Gbits/s (Bit rate)
RepetidorEmpalme Conector
Fuente y modulación de
pulsos
Detector y demodulación de
pulsos
Amplitud-PAM
Tiempo-TDM
Binario-PCM
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Se debe tomar en cuenta la Atenuación y la Dispersión del pulso.
La Dispersión (o ensanchamiento del pulso) dependerá de:
si la fibra es monomodal o multimodal,
si la fuente es un láser o un LED,
del material con que es fabricada la guía,
del perfil de la guía de onda
¡Se puede lograr que la dispersión total sea cero!
Diseñando un sistema de transmisión de fibra óptica
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En el caso de la Atenuación
Se puede lograr que la Dispersión del pulso sea cero en la regiónalrededor de 1550nm, sin embargo la Atenuación persiste.
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Como la atenuación no se puede eliminar, se deberá usarrepetidores cada 50km que reducirán la capacidad de transmisión(Bit rate)
RepetidorEmpalme Conector
Fuente y modulación de
pulsos
Detector y demodulación
de pulsos
La solución son los amplificadores EDFA’s
Acoplador
Fibra dopada con Erbio
Láser
980 nm
1550 nm
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Los amplificadores EDFA’s (Erbium Doped Fiber Amplifier) poseenuna amplia ganancia alrededor de 1550nm.
Los amplificadores EDFA’s
1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Ou
tpu
t p
ow
er
(A:U
)
Wavelength (m)
Dentro de esa ganancia se pueden generar líneas láser
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Sistemas de comunicación vía fibra óptica comerciales en diferentes etapas
Generation Date Bit rate Type of fiber Loss(dB/km)
Repeater spacing (km)
I (0.8-0.9 µm) 1977 45 Mbits/s Multimode(gradex index)
3 10
II (1.3µm) 1981 45 Mbits/s Multimode(gradex index)
1 30
III (1.3µm) At present 2.5 Gbits/s Single mode 0.5 40
IV (1.55µm) At present 10 Gbits/s Single mode <0.3 100
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En lugar de usar una sola longitud de onda de 1550nm con una
capacidad de 10GBits/s, ahora se pueden usar varias longitudes de
onda y multiplicar la capacidad de transmisión hasta 100GBits/s.
Sistema WDM
1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Ou
tpu
t p
ow
er
(A:U
)
Wavelength (m)
Esto se puede lograr gracias a los láseres multilongitud de onda
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Los esquemas WDM son ampliamente usados para las redes LAN
(Local Area Network) o PON (Passive Optical Network).
Sistema WDM-PON
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Sin embargo los esquemas WDM tienen un límite: las no-linealidades
D. J. Richardson, “Applied physics. Filling the light pipe,” SCIENCE, (2010).
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Hay que recordar que las fibras pueden soportar varios modos:
Ahora, ¿qué pasaría si cada modo que se propaga a 1550nm llevará información?
Lo difícil en este caso, es evitar que los pulsos para cada modo se ensanchen, aunque no es imposible de lograr, para ello se usan fibras especiales.
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Las fibras ópticas utilizadas en el multiplexado espacial se dividen en
dos tipos: Fibras de modos acoplados, y fibras de modos desacoplados.
R. J. Essiambre, et. al., “Space Division Multiplexing in Multimode and Multicore Fibers For High Capacity Optical Communication,” IEEE photonics Journal, 2013
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En el multiplexado espacial se requieren de un procesado digital de
señales (DSP) y esquemas MIMO (Multiple inputs and outputs):
Sistema SDM
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Con el multiplexado espacial se obtienen capacidades de transmisión de
hasta 1000 Tbits/s, (1000-5000 km, usando 6 modos del núcleo)
Sistema SDM
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También se ha usado el momento angular orbital de los modos del
núcleo para multiplexado espacial:
Nenad Bosinovic, et. al., “Terabit-scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers,” Science, 2013
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Aquí se presenta más claramente un modo de mayor orden del núcleo
con su fase e intensidad respectiva:
Nenad Bosinovic, et. al., “Terabit-scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers,” Science, 2013
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Por otro lado, se ha reportado una fibra de cristal fotónico que permite
la transmisión a 2µm con pérdidas de hasta 5dB/km a una taza de 100
Tbits/s y se ha amplificado la señal usando una fibra dopada con Tulio.
David Richardson, et. al., “Hollow core photonics bandgaps fibers: Technology andapplications,” Nanophotonics, 2013
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Se realiza una investigación para implementar filtros espectrales
directamente sobre la fibra óptica mediante esquemas de rejillas de
periodo largo.
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Implementación de rejillas de periodo largo:
Modulación del índice de refracción Microcurvaturas y efecto fotoelástico
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Arreglo experimental para la implementación de rejillas de periodo
largo por arco eléctrico:
Parámetros de fabricación de la RPL Periodo de la rejilla: 400 Potencia de arco: 14 Watts Número de descargas: 41 Masa (gr): 12 gr
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Implementación de rejillas de periodo largo:
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Transmitance
Medición del analizador de espectros óptico
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Implementación de rejillas de periodo largo:
29
Transmitance
Medición del analizador de espectros óptico
Sensible a perturbaciones externas
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Los filtros basados en rejillas de periodo largo han sido implementados
en fibras monomodo, sin embargo su inscripción en fibras de cristal
fotónico y en fibras multimodales resulta interesante por los nuevos
grados de libertad que ofrecen estas nuevas fibras así como el estudio
de nuevas propiedades y su aplicación en el multiplexado espacial.
Fibra con 3 modosen el núcleo
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Rejilla de periodo largo en fibra de cristal fotónico con 3 modos:
D. E. Ceballos-Herrera, et. al., “Higher-order core mode resonances in a mechanically induced long-period holey fiber grating”, Optical Review, 2009.
Modelado numérico
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Rejilla de periodo largo en fibra de cristal fotónico con 3 modos:
D. E. Ceballos-Herrera, et. al., “Torsion sensing characteristics of mechanically induced log-period holey fiber gratings”, IEEE Sensors Journal, (2010).
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Rejilla de periodo largo en fibra de cristal fotónico con 3 modos con
aplicación en convertidor modal:
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Otras propiedades de las fibras de cristal fotónico con más de un modo
en su núcleo es su aplicación en multiplexado espacial usando vórtices
ópticos:
Intensidad
Fase(Vórtices ópticos)
D. E. Ceballos-Herrera, et. al., "Symmetry, winding number and topological charge of vortex solitons in discrete-symmetry media", Physical Review A, 2009.
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Usando la propiedad de las rejillas de periodo largo se puede moldear el
espectro de ganancia de la fibra dopada con Yterbio y obtener una
emisón láser de al menos 3 longitud de onda simultáneas:
D. E. Ceballos-Herrera, et. al., “Single- to three-wavelength switchable ytterbium-doped fiber laser based on intracavity induced loss by a long-period holey fiber grating”, Opt. and Laser Technol., 2011.
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El arreglo experimental del laser multi-longitud de onda sintonizable
basado en una rejilla de periodo largo inscrita en una fibra de cristal
fotónico:
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Por otra parte, se presenta una variante del láser de fibra óptica para
sintonizar su emisión mediante interferencia multimodal:
Output SMFInput SMF MMF
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Por otra parte, se presenta una variante del láser de fibra óptica para
sintonizar su emisión mediante interferencia multimodal:
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Arreglo experimental del láser de fibra óptica dopada con Yterbio
variando la longitud de la cavidad:
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Adicionalmente, la generación de supercontínuo tiene múltiples
aplicaciones, teniendo en cuenta que su emisión es un láser con un
espectro de frecuencias contínuo:
Pulso de femto-segundos
D. E. Ceballos-Herrera, et, al. “Pulse quality analysis on soliton pulse compression and soliton self-frequency shift in a hollow-core photonic bandgap fiber”, Optics Express, 2013.
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La generación de supercontínuo tiene múltiples aplicaciones, teniendo
en cuenta que su emisión es un láser con un espectro de frecuencias
contínuo:
Arreglo Experimental para la generación de Supercontínuo
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En cuestión de telecomunicaciones, CFE ya cuenta con una red
troncal de fibra óptica.
Nuevas empresas como ipsobox ya pueden ofrecer servicios de fibra
óptica en zonas rurales e interconectarse a la red troncal de CFE.
Empresas como Telefónica y Telcel no tienen necesidad de
conectarse a la red troncal para ofrecer servicios de banda ancha.
La señal 3G en telefonía usa infraestructura de fibra óptica para
transmisión de voz.
La señal 4G usa infraestructura de fibra óptica para transmisión de
voz y datos.
En servicios de transmisión de voz y datos en celular, el 85% del
mercado ya utiliza sistemas de fibra óptica.
La ley de telecomunicaciones regula y supervisa la velocidad de
navegación ofrecida por las compañías.
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El área de comunicaciones vía fibra óptica, es uno de los temas en que posee ungran impacto económico y social en nuestro País. Ante la inminente saturaciónde los sistemas de comunicación vía fibra óptica a nivel mundial, causadoprincipalmente por la alta demanda del uso de internet, se deben desarrollardispositivos que permitan ofrecer soluciones para incrementar la capacidad detransmisión de datos a través de fibras. El nuevo conocimiento generadopermitirá el desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías ópticas quefortalecerán el desarrollo de las Telecomunicaciones en nuestro País.