fibras opticas

Instituto Tecnolgico de Tuxtla Gutirrez

Fibra ptica Pgina 1

UNIDAD 1

COMPONENTES DE FIBRA PTICA

1.1 Introduccin

Los sistemas de comunicaciones de fibra ptica, as como tambin los amplificadores de fibra ptica

dopada con Erbio son construidos tpicamente con componentes necesarios para llevar a cabo su desarrollo.

Estos componentes, son componentes pasivos tales como aisladores, acopladores, Wavelength Divisin

Multiplexors (WDM), circuladores pticos, rejillas de Bragg, etc. Los componentes activos son Lseres de

bombeo, EDF (Erbium Doped Fiber), etc. La mayora de estos componentes tienen consigo una pieza de

fibra pegado a ellos, para tener mayor facilidad de acoplarlos a un sistema de fibra ptica o EDFAs. Desde

cualquier punto de vista podemos decir que las conexiones pticas gobiernan la eficacia y la estabilidad con

que unos equipos inyecten o extraigan seales pticas, de acuerdo con las caractersticas de las fibras pticas.

Tal eficacia debe ser estable en el tiempo ante ambientes mecnicos y climticos. Cada uno de estos

componentes juega un papel importante en un sistema, ya que individualmente tienen funciones diferentes

por lo que es de gran importancia tener el conocimiento acerca de cmo funciona cada uno de ello. Hay que

notar que la integracin de un componente pasivo a un sistema puede generar inestabilidad considerable en la

transmisin de una seal, por lo que es necesario tener en cuenta muchos aspectos en la forma en que se debe

utilizar dicho componente. Actualmente en los sistemas de comunicaciones de multicanalizacin la

incorporacin de estos componentes es inevitable produciendo grandes beneficios en dicho sistemas.

1.2 Conectores de fibra

Un conector de fibra ptica es un dispositivo que hace una conexin temporalmente entre dos terminales de

fibra o entre una terminal de fibra y un transmisor o receptor. El conector est conectado a una pieza de

fibra ptica con el fin de facilitar la interconexin o desconexin ptica frecuente.

La conexin es la nica parte de un sistema de comunicacin donde se manifiesta lo siguiente:

a) la fibra ptica se halla expuesta y bajo riesgo de deterioro ante las manipulaciones obligadas en las

conexiones y desconexiones. El riesgo aumenta si es necesario la limpieza del extremo.


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b) Los extremos de conexin se encuentran sometidos a un esfuerzo permanente, impuestos por los

muelles internos de cada tipo de conector. Pulidos inadecuados pueden deteriorar, a corto y mediano

plazo, a uno o ambos extremos.

El requerimiento bsico de un conector de fibra ptica es que debe ser fcil de instalar, tener un diseo

resistente, ser de baja prdida y tener valores de prdidas reproducibles an despus de varias uniones,

adems, hallndose en operacin, debe mantener aquellos valores ptimos de prdidas en el transcurso del

tiempo y ante entornos ambientales previsibles (mecnicos, climticos, corrosivos, etc.).

En otras palabras podemos decir que una conexin de un componente influenciar en la eficiencia y

estabilidad de un sistema, debida a su insercin de prdida y reflectividad, ms que si la fibra estuviera

empalmada.

La calidad de un conector depende de un gran nmero de cosas tal como el tipo de fibra, tolerancia en el

dimetro de la fibra, asimetra en la fibra, concentricidad en el ncleo de la fibra, variacin de la apertura

numrica y el tipo de revestimiento usado.

La atenuacin de un conector es la suma de prdidas causadas por varios factores, que en ellos resulta en la

variacin del dimetro del ncleo, concentricidad del ncleo, excentricidad de el ncleo y alineamiento

lateral entre dos fibras.

Los factores importantes que pueden ser causados por prdidas intrnsecas incluyen:

concentricidad (los ncleos no estn centrados dentro del revestimiento);

elipticidad (ncleos de forma ovalada);

desigualdad en apertura numrica AN (esto puede ser el resultado entre dos fibras, una siendo mayor

que la otra o el revestimiento de las fibras son de diferentes tamaos [la cual evitar alineacin

correctamente entre fibras]).

Los factores extrnsecos incluyen:

alineamiento lateral (los conectores no estn alineados con sus ejes);

separacin entre terminales (las fibras separadas por una pequea abertura sufre dos tipos de prdidas.

La primera es la reflexin de Fresnel, causada por la diferencia en el ndice de refraccin entre la fibra

y el aire. La segunda es la prdida multimodal causada cuando modos de orden superior evitan el

cono de aceptacin de la fibra y as se reduce la entrada a el ncleo de la otra fibra. Mientras que la

prdida de Fresnel puede ser reducida mediante el uso de lquido de acoplamiento de ndices de


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refraccin, su uso no es recomendado en conectores que puedan atraer polvo hacia la cara del

conector).

Separacin angular;

Acabado de la superficie (la superficie de la fibra debe de ser liso y libre de defectos) [1].

Un nmero de conectores han sido diseados, de tal forma que se toman como estndar en sistemas y

laboratorios. Algunos de los diseos fsicos de conectores estndar de fibra se muestran en la figura1.1 y las

caractersticas de ellos se presentan en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. caractersticas de conectores comunes usados en la integracin de amplificadores y sistemas de

transmisin va fibra ptica.

El desempeo de los conectores de fibra son determinado por el mtodo de pulido, como ejemplo se tiene

que el conector FC puede ser especificado como terminal lisa (FL), contacto fsico (PC), super PC (SPC),

ultra PC (UPC) y contacto fsico orientado (APC), con una reflectividad de 14 dB a menos que 60 dB,

respectivamente. El diseo CECC-LSH ofrece un obturador que cierra el final de la fibra cuando este es

desconectado. Este obturador provee proteccin hacia al ojo humano y proteccin de la cara de la terminal.

Con esto se entiende el porqu es de vital importancia el desempeo de los conectores en sistemas de

comunicaciones por fibra ptica, la cual nos provee muchos beneficios [2].

Tipo de conector CompaaInsercin de

prdida (dB)

Reflectividad

tpica (dB)

SMA/PC Amphenol 1.0 -45

BICONIC Bell Labs 0.3 -14

FC/PC NTT 0.5 -27

FC/APC NTT 0.17 -67

D4/PC NEC 0.8 -40

SC/APC NTT 0.5 -27 to -601

CECC-LSH European Comittee 0.2 -50 t0 -70

HRL10 APC Diamond SA 0.12 -66(Angled physical contact)

(angled physical contact)

FC/UPC NTT 0.5 -50(ultra physical contact)

FC/SPC NTT 0.5 -40(super physical contact)

(physical contact)

FC/FL NTT 1.0 -14(Flat end)

ST/PC AT&T 0.2 -50(Physical contact)

Tipo de conector CompaaInsercin de

prdida (dB)

Reflectividad

tpica (dB)

SMA/PC Amphenol 1.0 -45

BICONIC Bell Labs 0.3 -14

FC/PC NTT 0.5 -27

FC/APC NTT 0.17 -67

D4/PC NEC 0.8 -40

SC/APC NTT 0.5 -27 to -601

CECC-LSH European Comittee 0.2 -50 t0 -70

HRL10 APC Diamond SA 0.12 -66(Angled physical contact)

(angled physical contact)

FC/UPC NTT 0.5 -50(ultra physical contact)

FC/SPC NTT 0.5 -40(super physical contact)

(physical contact)

FC/FL NTT 1.0 -14(Flat end)

ST/PC AT&T 0.2 -50(Physical contact)


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La alineacin mecnica que cada uno de los conectores de fibra ptica utilizan, son de vital importancia, ya

que de ellos el acoplamiento mximo de luz entre dos conectores. En la figura 1.2 se presentan algunos de los

sistemas mecnicos que utilizan algunos de los conectores.

3.3 Empalme de fusin en fibra ptica

Muchas veces el empalme entre dos fibras pticas es mucho mejor que utilizar conectores en un sistema de

comunicacin, proporcionando menos prdidas y fuerte tensin entre las dos fibras empalmadas. Las

prdidas que se dan en las uniones son valores pequeos, pero que acumulados en varios kilmetros de

trayecto puede ser una limitacin importante en la longitud de transmisin. Por ejemplo, la fibra presenta una

prdida de 0.25 dB/Km a 1550 nm en longitud de onda, por lo que en un empalme las prdidas deben de ser

menor a 0.1 dB, de lo contrario las prdidas sera comparables con la atenuacin producida por la fibra

ptica.

Figura 1.1. conectores de fibra monomodo.


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Alineamiento

Fibra

Cubierta de

Ferrule con orificio de precisin

Fibra

Haz de luz

Montura de a lineacin

Fibra

Tapn a filado

Montura de a lineacinbicnico

a)

c)

b)

Figura 1.2. Fsicamente conexin entre conectores: a) Conector basado de ferrule con orificio de precisin, b)

Conector con conexin bicnica, c) conector del tipo de haz expandido.

La atenuacin en los empalmes tiene dos orgenes:

extrnsecos al sistema de unin (desplazamiento transversales, axiales y longitudinales, reflexin en

los extremos).

Intrnsecos (desadaptacin de ndice de refraccin, de la apertura numrica, del perfil de ndice, del

dimetro, etc.).

Hoy en da uno tiene acceso a equipos comerciales que automticamente funde dos fibras con mnima

asistencia de manejo. El empalme, en general, se lleva a cabo con una excitacin radiante en dos terminales

de fibra mediante una fuente de arco, filamento, o flama, empujando la terminal de una fibra hacia la otra.

Una mquina de empalme de fusin dispone de los siguientes componentes:

Panel de control y display (para modificar los parmetros del empalme).

Caja de embalaje (permite acomodar los componentes usados durante la operacin).

Cortador (permite el corte de la fibra ptica en forma perpendicular y plana).

Sistema de control de energa (dispone de batera recargable para aplicaciones en lugares sin

alimentacin de red).

Proteccin del empalme (se trata de un tubo termocontraible de silicona vulcanizable).

Electrodos (forma el arco elctrico para el calentamiento de las fibras pticas).

Ranuras en V (esta ranura en V permite alinear las fibra ptica una frente a la otra).


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Sistema de alineamiento automtico mediante inyeccin de luz para optimizar el alineamiento del

ncleo.

Los empalmes por fusin proveen ensambles entre dos fibras con caractersticas mejor que un conector

teniendo bajas prdidas, baja reflectividad y de tensin fuerte. Los empalmes por fusin de arco entre fibras

idnticas proveen prdidas muy bajas de aproximadamente 0.01 dB, reflectividades que casi no se pueden

medir y fuerte tensin de 5.5 Gpa.

Para llevar a cabo el empalme entre dos fibras se necesita seguir algunos pasos para tener mayor seguridad

en el empalme, tales como: limpieza y corte de la fibra ptica debe de ser bueno, la alineacin entre las fibras

tiene que ser lo mejor posible, la verificacin de la calidad del empalme debe ser observada al final del

empalme y finalmente la proteccin del empalme debe de hacerse de la manera ms adecuada [3].

En la figura 1.3 se presenta la forma fsica de cmo se lleva el empalme por fusin. Para realizar el

empalme se deben retirar los recubrimientos de las fibras pticas. En general el recubrimiento secundario se

extrae mecnicamente mediante una pinza de corte controlado. El recubrimiento primario se quita

embebiendo una gasa en acetona y limpiando el extremo de la fibra ptica hasta extraer todo el acrilato. Los

extremos una vez limpios deben ser cortados.

El corte de cada fibra ptica debe de ser perpendicular al eje de la fibra ptica. Para llevar a cabo este

procedimiento existen varios tipos de herramienta que permiten efectuar ambas operaciones de corte

mecnicamente.

Figura 1.3. Proceso de empalme pro fusin, mostrando el detalle del arco elctrico.

3.4 Atenuador

El atenuador es un dispositivo que permite obtener una prdida controlada y especfica de un nivel ptico.

La aplicacin de este dispositivo se refiere a instrumentacin en el laboratorio y en campo; para redes de


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distribucin donde los niveles de potencia son excesivos y como terminacin en equipos de transmisin en

las redes. Su construccin permiten una elevada confiabilidad y estabilidad a diversas condiciones de

operacin. Se dispone de una entrada hembra y una salida macho para facilitar la conexin al instrumento o

equipo de transmisin. Se ha previsto tres tipos de atenuacin: 5, 10 y 15 dB sobre longitudes de onda de

operacin de 850 nm, 1310 nm y 1550 nm. Se garantiza una vida til superior a 1000 conexiones y

desconexiones. Existen atenuadores fijos (valor constante) y valor variables. El atenuador variable permite

trabajar en segunda o tercera ventana de comunicacin en fibras pticas.

Su aplicacin es fundamentalmente para mediciones pticas en el laboratorio o en campo. Al comprar

dicho dispositivo se entrega con el un manual de instrucciones y una caja metlica de transporte. En la figura

1.4 se presenta en forma fsica un atenuador.

Figura1.4. Forma fsica de un atenuador ptico fijo.

3.5 Acoplador

Algunos enlaces va fibra ptica requieren ms que una simple conexin de punto a punto, es decir, un

enlace mayor de dos puntos. Estos enlaces requieren de un diseo ms complejo requiriendo conexiones


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multipuertos. En la mayora de estos sistemas se requieren componentes de fibra ptica que puedan

redistribuir (combinar o dividir) seales pticas a travs de estos enlaces.

Un componente de fibra ptica que es capaz de redistribuir las seales pticas es precisamente un

acoplador de fibra ptica. Un acoplador de fibra ptica es un dispositivo que puede distribuir la seal ptica

de una fibra entre dos o ms fibras, adems, puede ser utilizada de manera recproca, es decir, combinar dos

seales pticas de dos o ms fibras a una sola fibra ptica. La distribucin de una seal puede ser simtrica

(igual potencia por cada puerto) o asimtrica (distinto valor de potencia).

Un acoplador atena la seal ptica mucho ms que un conector o empalme debido a que la seal ptica es

dividida entre todos los puertos. En la figura 1.5 se muestra la forma en que se encuentra internamente un

acoplador, mostrando el acoplamiento entre dos seales pticas. Cabe mencionar que si el acoplador es

utilizado como divisor de seales, la configuracin cambiara inversamente a la cual se encuentra en la

figura 1.5.

Figura 1.5. Vista interna de un acoplador de fibra ptica.

Fsicamente un acoplador debe de tener dimensiones pequeas y con caractersticas de prdidas bajas y fcil

de montar en un sistema. En la figura1.6 se presentan algunos de los acopladores de fibra ptica.

Figura 1.6. Acopladores de fibra ptica.

Entradas

I1

I2

I1I2

Salida


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El acoplador actualmente ha incrementado su participacin en las redes pticas utilizados ya sea como

acopladores o divisores de seales. La estructura de un acoplador puede ser de varios puertos de entrada y

varios puertos de salida, es decir, NxM puertos. Se pueden encontrar disponibles para distintas longitudes de

onda (1310 y 1550 nm).

Dos de los principios fsicos que un acoplador utiliza es la de acoplamiento resonante y el principio de

reciprocidad la cual se discute enseguida.

El acoplamiento resonante lo utilizan la gran mayora de acopladores pticos monomodo, es decir, dos

ncleo de fibra monomodo se ponen muy cerca una con otra paralelamente. Hay que notar que los ncleos no

tienen el revestimiento que una fibra tiene, ya que este es muy espeso para llevar a cabo dicho efecto. Los

ncleos deben estar muy cerca pero no deben de tocarse. En la figura 1.7 se presenta el efecto. Como se

observa, en la figura vemos que la luz entra por el puerto 4. la transferencia de potencia se lleva a cabo de la

fibra inferior a la superior, y cuando se transfiere toda la potencia, se vuelve a transferir a la fibra inferior. De

esta forma la potencia de la seal oscilar de un ncleo al otro hasta que la potencia se atena hasta un nivel

despreciable o hasta el fin de las fibras puestas en paralela. Hay que notar que la potencia total en ambos

ncleos en cualquier lugar de la seccin de acoplamiento es la misma.

Figura 1.7. Principio de acoplamiento resonante.

Esto se debe a que el campo electromagntico centrado en uno de los ncleo se extiende ms all de l,

llegando a tocar el otro ncleo de la fibra. Es de aqu donde proviene el efecto de acoplamiento. La potencia

del campo electromagntico en uno de los ncleos causa una resonancia en el otro ncleo, de tal manera que

la potencia se empieza a transferir hacia el otro ncleo de la fibra. Para esto hay que tener en cuenta que

ambos ncleos deben de ser iguales y regulares en sus caractersticas. Ahora todo depende de la longitud de

seccin de acoplamiento. De la figura1.7 podemos ver que toda la potencia que entra por el puerto 4, sale por

Puerto 2Puerto 1

Puerto 4 Puerto3

Longitud de acoplamiento

Revestimiento de vidrio

Aire 5 micrones


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el puerto 3 del acoplador. Si se tiene la mitad del acoplador de la figura, toda la potencia saldra por el puerto

2. Si utilizramos 1/4 del acoplador se podra conseguir un acoplador de igualdad de potencia en el puerto 2 y

3.

Importantes puntos que hay que notar aqu son los siguientes:

1. La longitud de acoplamiento es formalmente definido (a una longitud de onda en particular) como la

longitud a la cual el 100% de la potencia entrante en un puerto en particular es transferida a la otra

fibra.

2. La cantidad de acoplamiento y la longitud de acoplamiento es fuertemente dependiente de la

separacin entre los dos ncleos monomodo.

3. La longitud de acoplamiento es fuertemente dependiente de la longitud de onda. Diferentes longitudes

de onda proporcionan diferentes longitudes de acoplamiento.

4. La luz que sale de la fibra del acoplador es diferente a la de la fibra la cual entr, la fase es cambiada

180o, es decir, de la figura 1.6, si la luz entra por el puerto 1 y sale por el puerto 3, la fase se cambia

180o, en cambio si sale por el puerto 2, la fase no se cambia.

5. Si las longitudes de onda son las mismas y los tamaos de los ncleos son iguales tambin, no hay

forma de acoplar toda la potencia de ambos puertos de entradas a un mismo puerto de salida.

El principio de reciprocidad es un principio que se aplica generalmente en los acopladores pticos y otros

dispositivos similares. En la figura 1.5 vemos un acoplador resonante, la cual divide la seal de entrada del

puerto 1 en partes iguales en el puerto 2 y 3, obviamente esto aplicado a una longitud de onda en particular o

una banda de longitud de onda especfica. Los estados recprocos es que la luz que entra en el puerto 2, ser

igual dividido en partes iguales hacia el puerto 1 y 4. Sin embargo, en un divisor tipo Y las cosas no son

tan obvias, ya que la luz que entra por el puerto 1, ser dividido en partes iguales en el puerto 2 y 3, pero si la

luz entra por el puerto 2, en el puerto 1 la luz ser atenuada por un 50 % (3 dB), de esta manera si queremos

combinar dos seales usando una unin tipo Y, las seales sern combinadas pero cada seal perder la

mitad de su potencia.

Los acopladores tipo Y son difciles de construir en tecnologa de fibra, pero son fciles de construir en

tecnologa de guas de onda plana. Este tipo de acopladores son extremadamente eficientes como divisores de

luz.

Existen muchas formas de construir los deferentes acopladores: fused taper coupler, twin cores fiber,

pulishing and etching, planar waveguide couplers [4]. Los acopladores tambin presentan diferentes diseos,



un simple acoplador resonante de 4 puertos recibe el nombre de acoplador 3 dB, acopladores asimtricos,

acopladores en estrella, WDM, etc.

En [5] proponen un acoplador de gua de onda a gua de onda asistido por rejilla, el acoplamiento es

realizado a travs de rejilla intercaladas mediante una gua de onda dielctrica incluida. Comparada con los

acopladores convencionales, este tipo de acoplador tiene ventajas en que dos guas de onda pueden ser

bastantes diferentes, as como tambin la distancia de separacin puede ser grande.

Hasta aqu hemos hablado acerca de los diferentes acopladores, su utilidad en fibras pticas, pero tambin

hay que saber cmo se debe de caracterizar un acoplador, ya que siempre es importante conocer los

parmetros de ellos. En [6] se reporta un mtodo para caracterizar un acoplador, induciendo una perturbacin

local en una de las guas de onda incidiendo una radiacin a 980 nm de un diodo lser semiconductor. Una

tcnica de caracterizacin de un acoplador no destructiva se report en [7]. Un estudio muy riguroso de la

fsica de acopladores de fibra no lineal fue propuesto en 1991 [8], la cual no entraremos en detalle ya que

requiere de un estudio ms profundo.

El diseo de una acoplador en estrella fue aplicado con mltiples EDFAs, la cual con una sola fuente lser

se puede tener un bombeo hacia varios EDFs simultneamente [9] lo cual evita utilizar un lser de bombeo

por cada EDF, demostrando que un acoplador es de gran importancia en un sistema de comunicacin ptica,

ya que es necesario la introduccin de ellos en los diseos requeridos de acuerdo a nuestras necesidades.

3.6 WDM

Los WDMs tienen de combinar diferentes seales a diferentes longitudes de onda, y esto permite que en

un amplificador de fibra dopada con Erbio existan configuraciones de copropagacin (misma direccin) y

contrapropagacin (direccin opuesta). Los WDMs tienen los mismos principios fsicos que un acoplador de

seal, nada ms que en los WDMs existe la dependencia en longitud de onda. Uno de los aspectos ms

importantes de ellos, es la de tener una sensibilidad a la polarizacin, adems, de las prdidas y la razn de

aislamiento o divisin.

Estos dispositivos son tpicamente hechos ya sea como acopladores de fibra fundidas o como reflectores de

filtros de interferencias miniaturizados, como se ve en la figura 1.8. en general, los dispositivos de fibra

fundida tienen la ventaja de tener baja insercin de prdida, confiabilidad y bajo costo, mientras que el

dispositivo basado en filtro de interferencia presenta una ventaja en tener prdida baja en la dependencia de

la polarizacin manteniendo una aislamiento alto. El aislamiento es definido como una medida de la cantidad

de luz a una longitud de onda no deseada en cualquier puerto, relativo a la potencia de entrada de esa luz.



Figura 1.8. Diseos de WDM para combinar seales y bombeo: a) fibra fundida, b) filtro de interferencia.

Figura 1.9. Fsicamente un WDM.

En la realidad, se pueden conseguir WDM que combinen longitudes de onda diferentes, por ejemplo: 980

nm/1550 nm, 1480 nm/1550 nm. Valores tpicos de los WDM del tipo filtro de interferencia son: aislamiento

de 12 dB (1480 nm), 30 dB (1550 nm), mxima insercin de prdida de 0.4 dB, insercin de prdida por

dependencia de polarizacin 0.015 dB.

3.7 Aislador

Las reflexiones a la entrada y salida de un EDFA o lser tienen un profundo efecto en su desarrollo. Estas

reflexiones pueden resultar de las reflexiones de Fresnel de los conectores, dispersin de Rayleigh [10] o

reflexiones dentro del propio amplificador. Se ha demostrado que las terminales finales de fibra inmersa en

glicerina reduce la reflexin de Fresnel.

Para prevenir estas reflexiones es necesario evitar que ellas lleguen hasta un punto final o hasta un

dispositivo. Un aislador ptico es un dispositivo que permite el paso de luz en una direccin a lo largo de la

fibra, pero no en la direccin opuesta. Tales dispositivos han sido empleados, por ejemplo, en mdulos de

lseres semiconductores usados como fuentes de luz en un sistema de transmisin ptica para eliminar la luz

reflejada de puntos de conexiones, de tal manera que no llegue hacia el lser, evitando as el incremento de

ruido en la salida del lser inducida por la luz reflejada. Cuando un EDFA es usado en un sistema, los efectos

1

2 21

21

2 1

Filtro

a) b)



de reflexin llegan a ser ms severos ya que una pequea seal de luz reflejada puede ser amplificada debido

a alta ganancia por parte del EDFA [11,12].

El principio del funcionamiento de un aislador ptico se basa principalmente en el efecto Faraday, la cual

se muestra en la figura 1.10.

Figura 1.10. Funcionamiento de un aislador, mostrando el rotador de Faraday.

El rotador de Faraday es un elemento no reciproco, la cual se encuentra entre dos polarizadores. Dicho

efecto lo pueden producir algunos materiales tales como el YIG (Yttrium-Iron-Garnet) cristal Y3Fe5O12, la

cual est rodeado por un magneto permanente, produciendo una rotacin en los dos ejes de 45o. La luz que

viaja dentro del material tiene su plano de polarizacin (vectores de campo elctrico y magntico), la

cantidad de rotamiento depende de la longitud y la fuerza del campo magntico. El dispositivo completo

cuenta de un par de cuas birrefringente la cual separa los haces y luego los junta en la salida para

introducirlos en la fibra. Una seal opuesta experimentar primero la separacin en dos haces ordinario y

extraordinario, rotado por el YIG a un ngulo ahora de 90o

de la polarizacin de entrada, y despus

mandando los haces en trayectorias divergentes. Estas trayectorias divergentes no se enfocan a la entrada de

la fibra. La dependencia espectral y temperatura de este dispositivo est relacionado a la respuesta del

Campo m

agntic

o

Polarizador vertical

Pola rizador rotado

45 grados

Rotador

de Farad

ay

Campo elctrico

Campo elctrico

Campo elctrico

Campo m

agntic

o

Polarizador vertical

Pola rizador rotado

45 grados

Rotador

de Farad

ay

Campo elctrico

Campo elctrico

Campo elctricoDireccin opuesta



material que realiza el efecto. La insercin de prdidas y de retorno estn en funcin de las capas

antireflejantes y la precisin del alineamiento de los elementos. Los aisladores actualmente son necesarios en

un EDFA, ya que con ellos se eliminan reflexiones dentro del amplificador, evitando as el crecimiento de la

ASE [13,14]. En la figura 1.11 se presenta un aislador fsicamente.

Figura 1.11. a) muestra de un aislador real, b) smbolo de aislador.

3.8 Circulador ptico

El circulador ptico es definido como un dispositivo pasivo con tres o ms puertos, donde la potencia es

transferida de un puerto al puerto siguiente. Esta transferencia sigue un orden en sentido de las manecillas

del reloj.

Este dispositivo tiene un nmero de componentes pticos similares a la de una aislador ptico. En la figura

1.12 se presenta como se encuentra internamente un circulador ptico.

La seal que entra es primero dividido en dos estados de polarizacin ortogonales por la placa

birrefringente (cristal CaCO3 ). La seal dividida es entonces mandada a travs del rotador de Faraday

(cristal GBIG con magneto de Sm-Co) en diferentes trayectorias, tambin pasando por la placa retardadora

(cristal de SiO2). Finalmente, los haces son recombinados mediante el divisor de polarizacin y la placa

birrefringente.

Los diseos de un amplificador que han utilizado un circulador incluyen un elemento de compensacin de

dispersin en la mitad de cada etapa, ya sea de un diseo de amplificador reflectivo, amplificador de

ecualizacin de ganancia, amplificador con seales filtradas y amplificadores que monitorean la figura de

ruido mediante la deteccin de el retorno de la emisin espontnea.

ba



Figura 1.12. a) Circulador ptico con todos sus componentes, b) forma en que viaja la luz de un puerto hacia

el otro, c) Smbolo del circulador ptico, d) entradas y salidas del puerto.

En la literatura se ha encontrado el estudio de circuladores, tanto en cmo se debe medir

experimentalmente las variables necesarias de un circulador, as como tambin, las aplicaciones que se le

puede dar [15,16]. En [17] se present un circulador de alto aislamiento independiente de la polarizacin,

Yoji Makuichi present el desarrollo de un circulador de bajas prdidas [18], y en [19] se presenta una

aplicacin utilizando un amplificador de fibra dopada con Erbio sin la utilizacin de aisladores. Fsicamente

un circulador de fibra ptica se presenta en la figura 1.13.

Figura 3.13. Circulador de fibra ptica.

Fibra 1

Fibra 2

Fibra 3

Fibra 4

Lente GRIN

Rotador de

faraday

Placa reta rdadora

Prisma reflectivo

Placa Birefringente

Divisor de

polarizacinRotador de

Faraday

Placa

birrefringente Placa

birrefringente

Prisma

reflectivo

Divisor de

polarizacin

Puerto 3

Puerto 1

Puerto 2

Placa

retardadora

a) b)

1

2

3

4

1 2

2 3

3 4

4 1

Entrada Salida

c) d)



3.9 Filtros

Los filtros pticos son usados en EDFAs para mejorar su desarrollo mediante la supresin de la Emisin

Espontnea Amplificada (ASE). Los filtros tambin pueden ser usados para alterar el perfil espectral de

ganancia o mejorar las propiedades de un componente dentro del amplificador. Los amplificadores emplean

estos filtros dentro de un amplificador de dos etapas para ser utilizados como preamplificadores o

amplificadores en lnea.

Los filtros algunas veces son utilizados enfrente de un LED para reducir el ancho de lnea antes de la

transmisin; tambin puede ser puesto antes de un receptor incoherente para seleccionar una seal en

particular de muchas seales que llegan al receptor; en una red el filtro se utiliza para controlar las

trayectorias que una seal tomar.

Uno de los principios de los filtros se basa en el interfermetro Fabry-Perot. Este consiste de una cavidad

limitada en cada lado por un espejo parcialmente plateado. Si los espejos pueden ser movidos en relacin uno

con otro, el dispositivo es llamado interfermetro. Si los espejos son fijos uno respecto al otro, el

dispositivo es llamado Etaln.

La implementacin de sistemas con filtros Fabry-Perot requieren de un control de funcin automtica para

mantener el filtro centrado sobre la longitud de onda de la seal.

Los filtros que son usados en los amplificadores alteran el perfil de ganancia por lo que son seguidamente

colocados entre etapas del amplificador par reducir el impacto de prdida sumado a la figura de ruido del

amplificador. Para estas aplicaciones se han usados filtros del tipo Fourier, Twin core fiber y rejillas de

periodo grande [19]. Los filtros tipo Fourier son creados mediante la insercin de placas de vidrio de 154

m de espesor dentro de un haz expandido dentro de dos fibras. La absorcin dependiente espectralmente es

sintonizado mediante el cambio de una distancia y el ngulo de la placa de vidrio en el haz. Los filtros tipo

twin core fiber son en efecto interfermetros tipo Mach Zender dentro de una fibra.

3.10 Rejilla de Bragg

Es importante notar que las rejillas de Bragg tambin son filtros, y quiz probablemente los filtros pticos

ms importantes en el mundo de las comunicaciones. Es por esto que la discusin de ello se lleva en este

punto aparte. Una rejilla de Bragg en fibra es muy simple, de muy bajo costo y muy selectivo en longitud de

onda. La rejilla tiene una gran amplia aplicacin, y mejora tanto la calidad de un sistema, como tambin

reduce el costo de una red ptica.



Una rejilla de Bragg en una fibra es solo una pieza ordinaria de fibra monomodo de unos cuantos

centmetros de largo. La rejilla es construido mediante la variacin del ndice de refraccin en el ncleo a lo

largo de la fibra. La variacin del ndice de refraccin para llevar el efecto de reflexin no es ms que una

diferencia de 0.0001 en el ndice.

Figura 1.14. Esquema de una rejilla de Bragg.

Una rejilla de Bragg puede ser hecha a base de una longitud del ncleo de la fibra expuesta cercanamente a

una intensidad de variacin sinusoidal de luz Ultravioleta (UV). Los rayos UV causan un cambio en el ndice

de refraccin en el vidrio de Slice dopado con Germanio [21,22]. Existen dos tcnicas importantes para

imprimir rejillas en fibra, las cuales son : mediante un patrn de interferencia y mascara de fase.

La impresin mediante un patrn de interferencia utiliza un haz de lser, el haz es dividido y despus

recombinado sobre la fibra que est siendo tratada. En la fibra se genera un patrn de interferencia de tal

manera que este patrn se puede controlar, para as determinar un periodo de la rejilla de acuerdo a la

longitud de onda de reflexin que uno desee. Este mtodo es bien establecido en los laboratorios, pero es

difcil de imprimir rejillas largas (1 2 cm es aproximadamente el lmite). Este mtodo es ms flexible para

ajustar las caractersticas espaciales del perfil del ndice de refraccin impreso en la fibra. En algunas

aplicaciones se necesitan rejillas de 20 o 30 cm por lo que este mtodo no es el adecuado para llevar a cabo la

impresin en una fibra.

La impresin por el mtodo de mscara de fase es la mejor tcnica hoy en da para llevar a cabo una

impresin de rejilla en la fibra. La mscara de fase difracta slo una haz de la luz incidente. El haz difractado

tiene franjas de interferencia la cual puede ser controlado para producir variaciones peridicas de acuerdo a

lo que nosotros deseemos.



Figura 1.15. Impresin de una rejilla en fibra mediante un patrn de interferencia.

En este mtodo la longitud de onda de Bragg es determinada por el espaciamiento de la mscara de fase y

adems es independiente de la longitud de onda de luz UV.

Este mtodo ofrece un alto potencial en la reproduccin de grandes cantidades de rejillas con buena

repetibilidad y bajo costo; el requerimiento de la coherencia del lser UV es reducida [23,24].

Figura 3.16. Impresin mediante el mtodo mscara de fase.

La rejilla de Bragg refleja luz de longitud de onda Bragg tal que:

effcoreBragg n2 (1.1)



donde effcoren es el modo de ndice efectivo del modo guiado LP01 y es el periodo de la rejilla (en unidades

de longitud). Un estudio ms detallado de la aplicacin de la teora para modelar rejillas de Bragg en fibra se

presenta en [25]. Las rejillas de Bragg son disponibles con anchos de banda desde 0.1 nm hasta 10 nm y

reflexiones desde 1 hasta aproximadamente el 100 %. Las rejillas de periodo grande son creados con

periodos en el orden de 100 veces la longitud de onda de operacin (100 a 500 m). Esta periodicidad causa

acoplamiento entre los modos LP01 guiados y los modos guiados en el revestimiento. El acoplamiento entre

los modos ocurre cuando la siguiente condicin se satisface:

eff

clad

eff

core nn (1.2)

donde effcoren y eff

cladn son los modos de ndices eficaces del ncleo y revestimiento respectivamente y es la

longitud de onda propagndose en la fibra.

Tanto la rejilla de Bragg y rejilla de periodo grande son dispositivos atractivos debido a su empalme con

otros dispositivos de fibra.

Alguna de las aplicaciones que se le pueden dar a las rejillas de Bragg son: estabilizacin en longitud de

onda de un lser [26], compensacin de dispersin [27], dispositivos ADD/DROP [28], EDFA gain

flattening [29,30], sensores [31], etc.

3.11 Otros dispositivos pasivos

Para tener un uso amplio en el ancho de banda en ganancia espectral de los amplificadores pticos o

disear todo tipo de redes pticas, es necesario combinar muchas longitudes de onda de seales dentro de una

fibra. En general, tales sistemas necesitan combinar N longitudes de onda de entrada hacia una salida en la

fibra o igualmente un canal de seal entre N salidas de fibra. La llave para llevar a cabo este tipo de sistemas

son componentes multiplexores que exhiben baja insercin de prdida en cada canal y baja interferencia entre

canales. Por lo que un multiplexor no es ms que un dispositivo de derivacin con dos o ms puertos de

entrada y un puerto de salida en el que la seal luminosa en cada puerto de entrada se limita a longitud de

onda previamente seleccionada y la salida es la combinacin de las seales luminosas procedentes de los

puertos de la entrada. Esta funcin de multiplexado puede llevarse usando una variedad de mtodos

incluyendo divisores de fibra, filtros pticos de volumen pequeo, arreglo de rejilla gua de onda y

combinaciones de acopladores fibra/rejilla.



El demultiplexor es el dispositivo que lleva a cabo el proceso inverso a la del multiplexor, en el que la

entrada es una seal ptica que comprende dos o ms longitudes de onda y la salida de cada puerto es una

gamma de longitudes de onda preseleccionada distinta (figura 1.17).

Figura 1.17. Grfico en la que se muestra un Multiplexor y Demultiplexor.

La flexibilidad de los sistemas que amplifican pueden ser incrementados mediante la adicin de una seal de

longitud de onda y el removimiento de una seal en un punto especfico de una red ptica. El dispositivo que

hace dicho procedimiento es llamado ADD/DROP. La funcin de este componente es tpicamente llevado

a cabo usando una combinacin de filtros que transmiten o reflejan a lo largo de un canal una longitud de

onda con acopladores o circuladores. Un dispositivo ideal podra permitir uno de muchos canales,

cercanamente espaciados en longitud de onda, a ser sumados o removidos de un nmero de canales con

suficiente aislamiento entre canales adyacentes, baja sensitividad a la entrada de los estados de polarizacin e

inmunidad a los efectos del medio ambiente. En la figura 1.18 se muestra un Add/Drop. La banda angosta

del Add/Drop puede ser controlado por la rejilla de Bragg.

Figura 1.18. Diagrama de un Add/Drop.

MUX DEMUX



El uso de los amplificadores pticos a abarcar grandes distancias de transmisin tiene una limitacin

importante en su transmisin, y es debido a el ensanchamiento del pulso inducido por la dispersin por modo

de polarizacin (Polarization Mode Dispersin, PMD).

Los componentes de compensacin de dispersin es requerido para soportar transmisiones pticas de alta

velocidad con baja degradacin de la seal. La compensacin de dispersin es empleado en el receptor, o

transmisor o peridicamente a lo largo de una red. Existen varias formas de compensar la PMD, ya sea en el

dominio elctrico o ptico. En [32] se presenta una forma de compensacin mediante el uso de muestras de

rejilla de Bragg fabricadas con mascaras de fase de periodo uniforme.

3.12 Lseres de Bombeo

El xito de los EDFAs debido ha sido a la disponibilidad comercial y confiabilidad de los diodo lser de

bombeo con potencia suficiente para estimular la ganancia en el EDFA. Existen varios tipos de diodos lseres

las cuales han servido como bombeo en un EDFA de las cuales se encuentran a diferentes longitudes de

onda, tales como a 1480 nm, 980 nm, 800 nm, 670 nm, lseres de estado slido de alta potencia bombeados

con un arreglo de diodos lser, lseres de fibra de alta potencia bombeados por un arreglo de diodo lser y el

MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) [33]. De todos ellos, los ms comnmente usados son el lser de

bombeo a 1480 nm y 980 nm. El diodo lser de 1480 nm fue el primer lser que mostr mayor confiabilidad

para el uso de los sistemas de comunicaciones. El diodo lser de 980 nm, provee menor figura de ruido que el

de 1480 nm. El de 670 nm se ha utilizado ms en los laboratorios pticos. El lser de estado slido y los

lseres de fibra son usados para alta potencia de salida. Actualmente la tecnologa de los lseres se ha

desarrollado de manera rpida y eficiente para su aplicacin en los sistemas de comunicaciones pticas, en la

cual se pueden encontrar en la literatura mucha informacin acerca de ellos, en [34, 35] es uno de los tantos

de la cual podemos ilustrarnos. En la figura 1.19 se muestran fsicamente algunos modelos de diodos lseres

semiconductores.



Figura 1.19. Diferentes formas fsica de un diodo lser semiconductor de 980 nm y 1480 nm.

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fibras opticas

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