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Introducción a las Fibras Opticas para Comunicaciones

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DELAND Fibras Opticas - Javier A. Ouret - cr05ab.ppt

Programa

Fibras ópticas para comunicaciones: conceptos teóricos y propiedades

Conceptos teóricos generales Fibras multimodo y monomodo Cables con fibras ópticas: tipos y

aplicaciones


Programa

Elementos pasivos Manipuleo de fibras ópticas Uso de herramientas Conectorizaciones en campo Empalmes mecánicos Verificación de conectores Ubicación en unidades de distribución


Programa

Técnicas de medición Cálculos de atenuación Certificación de instalaciones Preparación de informes


Programa

Video: Fabricación de fibras ópticas (Corning Glass)

Video: Armado de conectores Video: Uso de herramientas (Clauss) Video: Interferometría Presentación: medición con

refractómetro


Fibras ópticas - Historia

Charles Kao - ITT Labs, Harlow, Inglaterra - 1966

Mensajes a alta velocidad por filamento de vidrio



Desarrollar un tipo de vidrio lo suficientemente puro

1 % de la luz fuese retenido luego de 1 km de recorrido

longitud de los tramos de cobre sin repetidores en esa época

1% de luz remanente equivale a 20 dB/km.



1970 científicos de Corning (Drs. Robert

Maurer, Donald Keck y Peter Schultz) menos de 20 dB/km en una fibra óptica

de vidrio muy puro.


Niveles de atenuación

1966 1995

3000 dB/km 0.20 dB/km

ATENUACION vs. LONGITUD DE ONDA


Fibras ópticas

Formadas por un filamento de vidrio de elevada pureza.

Poseen un núcleo por el que se transmiten haces de luz con longitudes de onda perfectamente establecidas. 850 nm 1300 nm 1550 nm

nm = nanómetro = 0.000000001 metros. color rojo = 700 nm , infrarrojo = 900 nm.


Ventajas de las fibras ópticas

Alta calidad de transmisión. Mayor capacidad para el transporte de

información. Atenuación mucho menor que en medios de

transmisón basados en cobre.



Bajo peso y tamaño reducido. Es dieléctrica. Inmunidad a las interferencias

electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI).



Facilidad de instalación Escaso mantenimiento y elevada

confiabilidad Simplicidad en las actualizaciones y

mejoras Se pueden usar varias longitudes de onda

(WDM).



Los costos de instalación tienden a reducirse.

Hay menos componentes activos presentes. Ausencia de corrosión. Alta seguridad. Es virtualemente imposible

introducirse en un sistema de fibra óptica sin ser detectado.


Tipos de fibras ópticas

Multimodo con índice escalonado. Multimodo con índice gradual. Monomodo con índice escalonado. Monomodo con dispersión desplazada. Monomodo con dispersión aplanada.


Qué es un modo ?

Un modo puede ser pensado como un patrón de ondulaciones fijas que se forman en la sección transversal de la fibra.

Si hay varios medios ciclos de tales ondulaciones, continuos a lo largo del diámetro del núcleo de la fibra, la fibra está operando como una fibra multimodo.

Si hay sólo un medio ciclo, está operando como monomodo.

Multimodo

Multimodo

Monomodo


Primeras instalaciones

Primer sistema comercial: ITT, 1977, industria telefónica, multimodo.

Primera instalación monomodo: MCI para sistema larga distancia en 1983

Fines de los 80’s : reemplaza casi totalmente al cobre en las comunicaciones telefónicas de larga distancia.


Parámetros

Atenuación de la transmisión reducción de su intensidad a lo largo de un

tramo (absorción, difusión, flexiones - < 50 mm - y microflexiones).

Se mide en decibeles por km [dB/km].


Parámetros Dispersión

Diseminación de los pulsos de luz a lo largo del segmento de transmisión.

Un pulso de luz LASER o LED consiste de un rango de longitudes de onda

Cada longitud de onda viaja a una velocidad diferente en el vidrio

Se mide en incrementos de ancho de pulso de la unidad de espectro por unidad de longitud [ps/nm.km]


..

..

.. .....

.

..

.

+

+

+

+

+

. +

Atenuación y dispersión


Parámetros Diámetro del campo modal

En las fibras ópticas monomodo la luz es más intensa en el núcleo pero algo de luz se propaga en la zona del cladding.

El diámero del campo modal es la medida del círculo de luz completo

Longitud de onda de corte Es la longitud de onda por encima de la cual una

fibra óptica monomodo soporta sólo un modo, o rayo, de luz.


Parámetros Apertura numérica

Factor que define el grado de exactitud y eficiencia con el cual se debe encauzar un haz de luz dentro de una fibra óptica.

a

n1

n2

n2

n0

1 C

B

cNUCLEO

CLADDING

A

n n0 1 1sen a sen


Apertura numérica

Por ejemplo si tenemos una fibra con = 1.45 y 1% de entre índices de refracción, NA=0.21 radianes ó 12°.

NA n n na 12

22

1 2

n n

n1 2

1


Parámetros

Diámetro del campo modal– Factor que tiene en cuenta la penetración del

campo modal dentro del cladding. – Permite mejores mediciones de las

propiedades funcionales de la fibra que el diámetro del núcleo.

PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MACROFLEXIONES

PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MICROFLEXIONES Y FALLAS


Tamaño de las fibras ópticas

Fibra monomodo - diámetro de núcleo de 8-10 µm.

Fibra multimodo - diámetro de núcleo de 50 a 100 µm.

Diámetro externo (ambos tipos) de 124 a 126 µm.


Fibras ópticas comerciales más usuales

Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm.

Multimodo 50/125 µm. Multimodo 100/140 µm. Monomodo 8.7/125 µm.


Fibras ópticas comerciales

Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm. Se la utiliza mucho en redes de área local para

especificaciones FDDI, FOIRL y Token-Ring. Las distancias usuales de aplicación rondan entre 1 y 4 km.

Diámetro del núcleo=62.5 µm, diámetro de la fibra de vidrio o "cladding"=125 µm. Sobre la fibra suele aparecer una cubierta acrílica protectora de 250 µm.



Multimodo 50/125 µm. Fibra multimodo de alta performance, con menor

atenuación y mayor ancho de banda que la anterior.

Se la suele utilizar para distribución de video y distancias moderadas.

Su costo es menor que la 62.5/125 µm.



Multimodo 100/140 µm. Fibra de baja performance, con mayor atenuación

y menor ancho de banda que las anteriores. Se la suele utilizar para capturar más luz de

fuentes lumínicas de bajo costo. Bastante usada en dispositivos de automatización industrial.

Su costo es de alrededor del doble de la 62.5/125 µm.



Monomodo 8.7/125 µm. Es la fibra óptima de mejor performance. Es utilizada en grandes distancias (decenas de km) para

telefonía y televisión por cable. En redes de área local/metropolitana se la utiliza cuando se

desea recorrer grandes distancias sin elementos repetidores intermedios.

Debido a que posee un núcleo muy reducido requiere fuentes de luz capaces de alinear el haz con el eje del núcleo. Esas fuentes de luz (fuentes laser en general) son más costosas que las utilizadas con las fibras multimodo (fuentes basadas en diodos emisores de alta potencia).



Matched-cladEs la que se obtiene con el proceso OVD y

es reconocida por su consistencia. Este factor es muy importante cuando es

necesario empalmar fibras con fibras


Fibras ópticas comerciales Depressed-Clad

Es la que se obtiene con el proceso IVD o MCVD.

Existe una zona de transición "deprimida" entre el valor del índice de refracción del núcleo y el del cladding.

Más concentración de dopantes Pueden dar lugar a mayores atenuaciones. No son tan consistentes como las anteriores


Fibras ópticas en los cables

Cables con fibras ópticas monomodo

– standard (0.35 dB/km)

– dispersión desplazada (0.25 dB/km)

– dispersión aplanada (0.30 dB/km)

– etc.

con fibras ópticas multimodo– FDDI / FOIRL standard 62.5/125 µm (3 dB/km)

– de alto rendimiento 50/125 µm (2 dB/km)


Selección del tipo de fibra óptica

Longitud de onda, potencia, NA, tipo de fibra óptica.

Longitud de tramo entre equipos electro-ópticos de emisión y recepción.

De acuerdo al tipo de fibra a utilizar, se calcula la atenuación prevista para cada tramo y se verifica que esté dentro de los valores de atenuación admisibles.


Relación mecánica entre las fibras ópticas y su cable

Grado de concentricidad de la cubierta primaria Ensayos de resistencia (50, 100, 150, 200 kpsi) Carga de tracción máxima.

Durante la instalación Permanente

Carga máxima de aplastamiento. Esfuerzos máximos de corte. Supervivencia de las fibras a esfuerzos de tracción

constantes. Mandriles de doblado. Temperatura de operación


Tipos de cables

Cables para interior para conductos verticales para conductos horizontales para exterior para ambientes agresivos aéreos con tensor aéreos sin tensor dieléctricos etc.


Selección del tipo de cable

Ambiente Obra civil Tensiones


Selección del tipo de cable

Flexiones o posibles microfisuras que puedan aparecer durante la vida útil del cable.

La cubierta del cable se eligirá en función del destino:

.Interior .Exterior en contacto con el aire. .Exterior aéreo. .Exterior subterráneo. .Mixto.


Selección del tipo de cable Cables

Fibra óptica + coating Pyrocoat Recubrimiento primario 250 / 500 µm (no

siempre) Recubrimiento secundario 900 µm Cubierta protectora primaria + elementos

resistentes Cubierta externa + elementos resistentes


Cables para fibras ópticas

Cables break-out

NUCLEO

CLADDING+COATING

RECUBRIMIENTOPRIMARIO DE250 ó 500 µm

BUFFER DE 900 µm(Tight buffer)

FIBRAS DE KEVLAR

COBERTURABREAK-OUT



Cables break-out (n fibras)

CUBIERTAEXTERNA



Cable break-out (n fibras) con malla

CUBEIRTAEXTERNA

MALLAMETALICA O HILOS DE KEVLAR



Cable tight-buffer (n fibras)

CUBIERTA EXTERNA

FIBRA DE KEVLAR

ELEMENTO RIGIDIZANTEO DE ACOMPAÑAMIENTO

FIBRAS OPTICAS CON BUFFER DE 900 µm



Cable tubo suelto relleno con gel

CUBIERTA EXTERIOR DE POLIETILENO

ARMADURA DE ACERO CORRUGADO

CINTA CONTRA EL AGUA

COBERTURA INTERIOR DE POLIETILENO

CINTA DE POLIESTER

COMPUESTO CONTRA LA HUMEDAD

TUBO SUELTO RELLENO CON GEL

FIBRAS OPTICAS+ COATING

ELEMENTORESISTENTE



Cables tipo break-out y/o tight-buffer Para redes de hasta 20/25 km Para redes troncales con numerosas aperturas Pocas fibras ópticas por cable (hasta 48/50 fibras) Dentro de edificios y en ambientes mixtos (dentro/fuera) En ductos verticales (necesidad de resistencia al peso propio) En ductos horizontales (necesidad de una gran flexibilidad,

pequeños mandriles de doblado y diámetros reducidos) Para mejorar la resistencia a las llamas Para acceder a puestos de trabajo Para segmentos y pigtails



Cables tipo break-out y/o tight-buffer En ambientes agresivos, en contacto directo con la tierra,

altas/bajas temperaturas (sitios con gran amplitud térmica) En tendidos aéreos con condiciones climáticas extremas

(-45/+85 °C) En tendidos aéreos con luces muy extensas Necesidad de tendidos dieléctricos Ahorro de obras civiles Economía en costos de instalación Fácil de terminar



Cables tipo tubo suelto rellenos con gel Para redes muy extensas (centenas y miles de km) Para tendidos submarinos Para atender grandes centros de distribución Muchas fibras ópticas por cable (+50 fibras) En ambientes externos En ductos horizontales extensos



Cables tipo tubo suelto rellenos con gel En ambientes no muy agresivos, en general requieren

mayor protección que los tipo break-out/tight-buffer Necesitan obras civiles Altos/medianos costos de instalación La terminación requiere equipos y mano de obra

especializada Las fibras ópticas mantienen casi intactas las condiciones

operativas de fábricación (menor flexibilidad) Mayor control de normas


Fibra óptica en tubo sueltoCable sin tensión

Cable elongado

Cable comprimido


Tipos de conectores Por su forma de inserción

– ST, FC PC / APC, SC PC / APC - DUPLEX– MINI-BNC, D4, FDDI, DIN, SMA, Bicónicos, D4,

ESCON, E2000, etc.

Por su forma de retención de la fibra– Epoxy– Crimpeado

Con aplastamiento de fibra Sin aplastamiento de fibra

– Con epoxy pre-incorporado


Tipos de empalmes fusión

– masiva– simple

mecánico– Contacto– Succión– Sellado

acople– plano– PC, APC, SPC, UPC


Conectores y empalmes

Parámetros para evaluar su rendimiento óptico Pérdida por inserción(PI): medida de la

capacidad para transmitir el nivel de potencia óptica en una unión entre fibras, en la dirección de la transmisión.

Reflexión o pérdida por retorno(PR): medida de la potencia óptica reflejada en una unión entre fibras y guiada por la fibra en dirección hacia la fuente de luz.



Parámetros para evaluar su rendimiento óptico PI: Afecta fundamentalmente a las transmisiones

digitales del orden de unidades y decenas de Mbps (ó Kbps).

PR: Afecta fundamentalmente a las transmisiones digitales de más de 100 Mbps (sobre todo si hay amplificadores ópticos) y de 1 ó más Gbps.

PR: Los sistemas de transmisión analógicos en AM son muy sensibles a este parámetro.


PI dBxw

x

w

( ) .

4 3432

desplazamiento lateral

diametro campo modal

Pérdida por inserción



Parámetros para evaluar su rendimiento ópticoPI < 0.5 dB (0.25dB)PR < - 40 dB


Cladding

Cladding

N.A.1 N.A.2

Superficie de referencia

c1 c2 < c1


d 1 d 2Núcleo No 1 Núcleo No 2


PI por problemas de alineación y apertura numérica.



Núcleo No 1Núcleo No 2

x

d

c


PI por problemas de excentricidad.



Reducción de PR.

Punta del conector

Cladding

Cladding

Angulo de la cara expuesta > 90 ° - c cc



PI por problemas de alineación lateral



PI por problemas de alineación lateral 2 w =8 µm , x < 1 µm para PI <= 0.25 dBValores de Campo modal

– SM std 1310 nm w=9.3 µm– SM ds 1310 nm w=6.5 µm– SM std 1550 nm w=10.5 µm– SM ds 1550 nm w=8.1 µm



PI por problemas de alineación angular



PI por problemas de alineación angular (Caso usual en conectores crimpeados)



PI por problemas de separación de caras.


Conectores

Conectores. Pulidos PC / SPC y UPC.


Conectores

Conectores. Pulido convexo.


Pérdidas por inserción

Potencia Transmitida (%) Pérdida por inserción(dB)

100 0

90 0.46

80 0.97

70 1.55

60 2.22

50 3.01


Pérdidas acumuladas

Pérdida (dB)Mecanismo de pérdida Empalme

por FusiónEmpalmeMecánico

Conectordesmontable

Pérdida paramétrica 0.31 0.31 0.31Pérdida por difracción de Fresnel ------- 0.10 0.34Pérdida por mala alineación lateral 0.19 0.23 0.60Pérdida por separación de extremos ------- 0.10 0.25Perdida por mala alineción angular ------- 0.06 0.20Total 0.5 0.8 1.7

COMPARACION DE TERMINACIONES DE CONECTORES SC A 1300 nm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

30 32.5 35 40 42.5 45 47.5 50 52.5 55 57.5 60

Pérdida por retorno

Can

tid

ad d

e m

ues

tras

PC

Super PC

Ultra PC


Otros elementos pasivos

Break-out kit Fan-out kit Optical couplers


Enlaces con fibras ópticas en redes de datos

La ubicación de los enlaces es muy variada:

Plantas industriales. Edificios de oficinas. Zonas urbanas.

Un mismo enlace puede requerir de varios tipos de tendido: cable subterráneo a cable aéreo, en combinación con cable de interior.



Las distancias a recorrer no son muy grandes (usualmente de 1 a 10 Km).

La cantidad de fibras ópticas por cable no supera, en la mayoría de los casos, un valor de 4/6 fibras.

Las condiciones de las etapas de tendido son más rigurosas y variadas, lo que requiere utilizar cables flexibles y muy resistentes. Se busca también no tener que usar mano de obra especializada para el tendido o cables muy rígidos.



Las conectores son de fácil colocación y se busca la conectorización directa del extremo de las fibras, evitando el uso de "pigtails"

En redes locales se utilizan equipos emisores con baja potencia y granapertura numérica, lo que requiere el uso de fibras multimodo.



Los tramos van de un equipo de transmisión a un equipo de recepción.

Existe la posibilidad de utilizar derivadores puramente ópticos pero los mismos introducen atenuaciones muy elevadas.


850 nm1300 nm

0.90.9

0.50.5

0.50.5

2.81.3

0.90.9

0.90.9

0.90.9

0.50.5

0.50.5

0.90.4

750 m 2 m 250 m

Segmentode Cable

Segmentode Cable

Segmentode Cable

Cable fijo

Cable fijo

Atenuación total óptica

Atenuación máxima850 nm 9.3 dB1300 nm 7.3 dB

Geometría de la fibra 62.5/125m

Atenuación: 3.75 dB /km ( 850 nm ) 1.75 db /km (1300 nm )

Ejemplo: atenuaciones en un tramo con segmentos (patch-cords)


0.50.5

0.50.5

0.50.5

0.50.5

2.81.3

0.90.4

2 m750 m 250 m

Atenuación total óptica

Atenuación máxima 850 nm 5.7 dB1300 nm 3.7 dB

Segmento Pigtail

Segmento Pigtail

Cable Fijo

Cable FijoSegmento empalmado

850 nm 1300 nm

Ejemplo: atenuaciones en un tramo con pigtails


Aprox.1.0 m

Aprox.1.0 m

PFOC

SCOF

SleevedPFOCor SCOF

Cable fijo

Funda de protección de empalme

Caja de terminación

Sujeta cable

Casquillo de Pigtail

Casquillo de cable fijo

Sistema de manejo de fibra

Ejemplo de ensamble con pigtail a equipos


Aprox.1.0 m

Aprox.1.0 m

PFOC

SCOF

SleevedPFOCor SCOF

Cable fijo

Funda de protección de empalme

Casquillo de cable fijo

Sistema de manejo de fibra

Acople

Ejemplo de ensamble con acople


Medición de parámetros

Microscopios Fuentes de luz con long. de onda

estabilizada Medidores de potencia óptica Atenuadores Medidores de pérdida por retorno Medidores de pérdida por inserción


Medición de parámetros

Interferómetro Optical Time Domain Refractometer

(OTDR)

REFLEXION EN PANELFRONTAL DEL OTDR

EMPALME MECANICO(REFLECTIVO)

EMPALME POR FUSION(NO REFLECTIVO)

CONECTOR FINAL(REFLECTIVO)

RUIDO DE BASE

Gráfico de un OTDR


Cierre

Una instalación de fibra óptica debe durar decenas de años ya que no corre contra los avances de la tecnología.

El control de calidad requiere de algunos conocimientos teóricos.


Transparencias


Apuntes


Transparencias complementarias


Conectorizado y mediciones

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