La guía de fibra es un vidrio ultra
puro o un cable plástico.
El receptor incluye un dispositivo
conector, un foto de tector, un conversor de corriente a
voltaje un amplificador de voltaje y una interface
analógica o digital.
En un transmisor de fibra óptica la
fuente de luz se puede modular por una señal
análoga o digital. Acoplando impedancias y
limitando la amplitud de la señal o en pulsos digitales. El
conversor de voltaje a corriente sirve como interface
eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente de luz.
La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo
de inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es
proporcional a la corriente de excitación, por lo tanto el
conve rsor voltaje a corriente convierte el voltaje de la
señal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la
fuente de luz. La conexión de esa fuente a la fibra es una
interface mecánica cuya función es acoplar la fuente de
l uz al cable.
La fibra óptica consiste de un
núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y
una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento
del receptor ta mbién es un acoplador
mecánico.
El detector de luz generalme nte es un
diodo PIN o un APD (fotodiodo de avalancha). Ambos convierte n la
energía de luz en corriente. En consecuencia, se requiere un
conversor corriente a voltaje que transforme los cambios en la
corriente del detector a cambios de voltaje en la señal de
salida.
Forma
Un filamento de vidrio sumame nte delgado y
flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo
ópticos (señales en base a la transmisión de luz).
Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión
enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se
utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su
construcción.
Una fibra es un conductor óptico de
forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un
recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas
diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket)
que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al
conductor del medio ambiente así como darle resistencia
mecánica.
Además, y a diferencia de los pulsos
electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por
inte rfere ncias causadas por la radiación aleatoria del
ambiente.
Cuando las compañías
telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus
estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras
ópticas, estarán disponibles de modo inte ractivo una
amplia variedad de servicios de información para el
consumidor, incluyendo la TV de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas, puede
transporta r miles de conversaciones simultáneas de
voz digitalizada.
Ventajas de la fibra
óptica…
Capacidad de transmisión: La idea de
que la velocidad de transmisión depende principalmente del
medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras
ópticas, ya que ellas pueden transmiti r a velocidades mucho
más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo
permite n, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan
la velocidad de transmisión.
1. Mayor capacidad debido al ancho de banda
mayor disponible en frecuencias ópticas.
2. Inmunidad a transmisiones cruzadas entre
cables, causadas por inducción
magnética.
3. Inmunidad a interfe rencia estática
debida a las fuentes de ruido.
4. Resistencia a extremos ambientales. Son
menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones
de temperatura.
5. La seguridad en cuanto a instalación y
mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son
conductores de electricidad, se pueden usar cerca de
líquidos y gases volátiles.
Un exc ele nte medio para sus comunicac
iones…
En el último kilómetro es donde
se presenta con mayor frecue ncia proble mas y daños en las
comunicaciones de los clientes, pensando en esto empresas como la
ETB crearon el proyecto de digitalización de la red de
abonado en fibra óptica. La fibra es el soporte ideal por
todas las ventajas que brinda, tales como:
1. Supresión de ruidos en las
transmisiones.
2. Red redundante.
3. Conexión directa desde centrales
hasta su empresa.
4. Alta confiabilidad y privacidad en sus
comunicaciones telefónicas.
5. Posibilidad de daño casi
nula.
6. Tiempos de respuesta mínimos en la
reparación de daños.
7. Mayor número y rapidez en la
solicitud y entrega de nuevos servicios.
8. Gran ancho de banda
También la fibra óptica es una
plataforma para la prestación de otros servicios,
como:
1. Transmisión de datos de Alta
Velocidad
2. Enlaces E1 (2Mb/s) para conexión de
PABX
La posibilidad en el futuro de
conexión de nuevos servicios como multi media o sistemas de
televisión por cable.
Desventajas
A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra
óptica presenta una serie de desventajas frente a otros
medios de transmisión, siendo las más relevantes las
siguientes:
· La alta
fragilidad de las fibras.
·
Necesidad de usar transmisores y receptores más
caros
· Los
empalmes entre fibras son difíciles de realiza r,
especialmente en el campo, lo que dificulta las
reparaciones en caso de ruptura del cable
· No pue
de transmiti r electricidad para alimentar repetidores intermedi
os
· La
necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de
conversión eléctrica – óptica
· La
fibra óptica convencional no puede tra nsmitir potencias
elevadas.1
· No
existen memorias ópticas
Cables
Ópticos.
Para pode r utilizar fibras ópticas en
forma practica, estas deben ser protegidas contra esfuerzos
mecánicos, humedad y otros factores que afecten su
desempeño. Para ello se les proporciona una estructura
protectora, formando así, lo que conocemos como cable
óptico. Dicha estructura de cables ópticos variará
dependiendo de sí el cable será instalado en ductos
subterráne os, enterrando direc tamente, suspendido en
postes, sumergido en agua etc.
El propósito básico de la
construcción del cable de fibra óptica es el mismo;
Mantene r estables la transmisión y las propiedades de
rigidez mecánica durante el proceso de manufactura,
instalación y operación. Las propiedades esenciales en
el diseño del cable son la flexibilidad, identificación
de fibras, peso, torsión, vibración, límite de
tensión, facilidad de pelado, facilidad de cortado,
facilidad de alineación del cable y la fibra,
resistencia al fuego, atenuación estable, etc. Los
parámetros para formar un cable especial
son:
1. Esfuerzo máximo permitido en la
fibra durante su fabricación, instalación y servicio;
determina la fuerza mínima de ruptura de la fibra y la
fuerza requerida para el miembro de tensión.
2. Fuerza lateral dinámica y
estática máxima ejercida sobre la fibra, para
determinar la configuración del cable y el
límite de tolerancia de micro curvaturas.
3. Flexibilidad
4. Rango de temperatura y me dio ambiente
en donde el cable va a operar, paralela
elección del tipo de materiales a utilizar tomando en
cue nta su coeficiente de expansión térmica y su cambio
de dimensiones en presencia de agua.
Para cumplir estos reque rimientos se
observan las siguientes recomendaciones:
1. Evitar cargas o esfuerzos mecánicos
sobre las fibras.
2. Aislar la fibra de los demás
compone ntes del cable.
3. Mante ner las fibras cerca del eje
central y proporciona r espacio a las fibras para su mante
nimiento.
4. Escoger los materiales de los elementos
del cable con mínimas diferencias en sus coeficientes de
expansión térmica.
Parámetros de una fibra
óptica…
Existen varios parámetros que
caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros
estructurales y de transmisión que establecen las
condiciones en las que se puede realizar la transmisión de
información.
Entre los parámetros estructurales se
encuentra:
· El
perfil de índice de refracción.
· El
diámetro del núcleo.
· La
apertura numérica.
·
Longitud de onda de corte.
En cuanto a los parámetros de
transmisión se tiene:
·
Atenuación.
· Ancho
de banda.
·
Inmunidad a las Interferencias:
El uso de medios transparentes para la propagación
de ondas electromagnéticas en forma de luz hace que la fibra
óptica no necesite voltajes ni de corrientes, esto lo
convierte en un medio de comunicación 100% inmune a todo
tipo de interfe rencias electromagnéticas a su
alrededor y, por lo tanto, es un me dio de comunicación
altamente confiable y seguro.
Este es uno de los principales factores que
motiva ron su uso militar ya que para pode r obte ner
información de ella hay que provocarle un daño,
daño que podría detectarse fácilmente con equipo
especializado. Esto no sucede con el cobre, donde basta con dejar
el conductor al descubierto.
El hecho de no necesitar corrientes ni
voltaje hace que la fibra óptica sea idónea para
aplicaciones en donde se requiere de una probabilidad nula de
provocar chispas, como el caso de pozos petroleros y las
industrias químicas, en donde existe la necesidad de
transportar la información a través de medios
explosivos.
Micro cur vatura…
Fuerzas laterales localizadas a lo largo de
la fibra dan origen a lo que se conoce como micro curvaturas. El
fenómeno pue de ser provocado por esfuerzos durante la
manufactura e instalación y también por variaciones
dimensionales de los materiales del cable debidos a
cambios de temperatura. La sensibilidad a las micro curvaturas es
función de la diferencia del índice de
refracción, así como también de los diámetros
del núcleo y del revestimiento. Es evidente que las micro
curvaturas incrementan las pérdidas ópticas.
Curvado…
El curvado de una fibra óptica es
causado en la manufactura del ca ble, así como también
por dobleces durante la instalación y variación en los
materiales del cable debidos a cambio de temperatura. Los
esfuerzos que provoca la torcedura de las fibras son
básicamente una fue rza transversal y un esfuerzo
longitudinal. El es fuerzo longitudinal no provoca torcedura
cuando trabaja para alargar la fibra, no hay cambio en las
perdidas ópticas. Sin embargo, cuando trabaja para contrae r
a la fibra, este esfuerzo provoca que la fibra forme bucles y se
curve, de tal manera que la perdida óptica se incrementa.
Por lo tanto, al evaluar los diseños de los cables se debe
poner especial atención en:
· La
carga transversal trabajando en la fibra durante el cableado,
instalación y utilización.
· El
esfuerzo de contracción que ocurre a bajas temperaturas
debido al encogimiento de los elementos del
cable.
Dadas las razones anteriores, el eje de la fibra puede
curvarse severamente causando grandes incrementos en las perdidas
ópticas. Para prevenir esta situación se toma en cuenta
las siguientes consideraciones:
· Mante
ner un radio de curva tura determinada, seleccionando el radio y
la longitud del cableado.
· Reducir
variaciones técnicas de las fibras protegidas con
pequeños coeficientes de expansión térmica
disponiéndolas alrededor de un elemento co n buenas
propiedades térmicas.
Tipos básicos de fibras
ópticas
· Multi
modales
· Multi
modales con índice graduado
·
Monomodales
Fibr a multimodal
En este tipo de fibra viajan varios rayos
ópticos reflejándose a diferentes ángulos como se
muestra en la figura.
Los diferentes rayos ópticos recorren
difere ntes distancias y se desfasan al viajar dentro de la
fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede
trasmitir esta limitada.
Fibra multimodal con índice
graduado
En este tipo de fibra óptica el núcleo esta
hecho de varias capas concéntricas de material óptico
con difere ntes índices de refracción. La propag
ación de los rayos en este sigue un patrón similar
mostrado en la figura.
En estas fibras él numero de rayos
ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto,
sufren menos el severo problema de las multimodales.
Fibra monomodal
Esta fibra óptica es la de menor diámetro y
solamente pe rmite viajar al rayo óptico
central. No sufre del efecto de las otras dos pero es
más difícil de construir y manipular. Es también
más costosa pero permite distancias de transmisión
mayores.
La fibra óptica ha venido a
revolucionar la comunicación de datos ya que tiene las
siguientes ventajas:
· Gran
ancho de banda (alrededor de 14H z)
· Muy
pequeña y ligera
· Muy
baja atenuación
·
Inmunidad al ruido electromagnético
Para transmitir señales por fibra óptica se
utiliza modulación de amplitud sobre un rayo óptico, la
ausencia de señal indica un cero y la presencia un uno. La
transmisión de fibra óptica es unidireccional.
Actualmente se utilizan velocidades de transmisión de 50,
100 y 200 Mbps, pero experi mental mente se han
transmitido hasta Gbps sobre una distancia de 110
Kms.
Construcción.
Núcleo, cubierta, tubo protector,
búferes, miembros de fuerza, y una o más capas
protectoras. Las principales variantes son:
1. Tubo suelto. Cada fibra está envuelta en un tubo
protector.
2. Fibra óptica restringida. Rodeando al cable hay
un búfer pri mario y uno secundario que proporcionan a la
fibra protección de las influencias mec ánicas externas
que ocasionarían rompi miento o atenuación
excesiva.
3. Hilos múltiples: Para aumentar la
tensión, hay un mie mbro central de acero y una envoltura
con cinta de Mylar.
4. Listón: Empleada en los sistemas
telefónicos Tiene varios miembros de fuerza que le dan
resistencia mecánica y dos capas de recubrimiento protector
té rmico.
En la foto de abajo se observa un cable de
fibra óptica.
Conversores Luz- Corriente
eléctrica
Este tipo de conversores convierten las
señales ópticas que proceden de la fibra en
señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente
a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es
proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de
onda de la señal moduladora.
Se fundamenta en el fenómeno opuesto a
la recombinación, es decir, en la generación de
pares electrón-hueco a partir de los fotones.
El tipo más sencillo de detector corresponde a una
unión semiconductora P-N.
Las condiciones que debe cumplir un
fotodetector para su utilización en el campo de las
comunicaciones, son las siguientes:
· La
corriente inversa (en ausencia de luz) debe de ser muy
pequeña, para así poder detectar
señales ópticas muy débiles (alta
sensibilidad).
· Rapidez
de respuesta (gran ancho de banda).
· El
nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser
mínimo. Hay dos tipos de detectores los fotodiodos PIN y los
de avalancha APD.
·
Detectores PIN: Su nombre viene de que se componen
de una unión P-N y entre esa unión se
intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual
mejora la eficacia del detector.
Se utiliza principalmente en sistemas que
permiten una fácil discriminación entre posibles
niveles de luz y en distancias cortas.
·
Detectores APD: El mecanismo de estos detectores
consiste en lanzar un ele ctrón a gran velocidad (con la
energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz
de arrancarle otro electrón.
Estos detectores se pueden clasificar en
tres tipos:
· de
silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de
hasta el 90% trabajando en primera ventana. Requieren alta
tensión de alimentación (200-300V).
· de
germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas
entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70%.
· de
compuestos de los grupos III y V
Amplificador
óptico
En fibra óptica, un amplificador
óptico es un dispositivo que amplifica una señal
óptica directame nte, sin la necesidad de converti r la
señal al dominio eléctrico, amplificar en
eléctrico y volver a pasar a óptico.
Amplifica dores de fibr a
dopada
Amplificadores en fibra son
amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normal mente
con tierras raras . Estos amplificadores necesitan de un bombe o
externo con un láser de onda continua a una frecuencia
óptica ligeramente superior a la que amplifican.
Típicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o
1480 nm y para obte ner los mejores resultados en cuanto a ruido
se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la
señal.
Un amplificador óptico es capaz de
amplificar un conjunto de longitudes de onda (WDM, wavelength
division multiplexing)
Amplifica dor de fibra dopada con Erb io
(EDFA)
El amplificador de fibra dopa da más
común es el EDFA (del inglés, Erbium Dope d
Fiber Amplifier) que se basa en el dopaje con Erbio
de una fibra óptica.
Algunas características típicas
de los EDFAs comerciales son:
· Baja
figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB)
·
Ganancia entre 15-40 dB
· Baja
sensibilidad al estado de polarización de la luz de
entrada
·
Máxima pote ncia de salida: 14 – 25 dBm
·
Ganancia interna: 25 – 50 dB
·
Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB
·
Número de láseres de bombe o: 1 – 6
·
Longitud de onda de bombe o: 980 nm o 1480 nm2
· Ruido
pre dominante : ASE (Amplified Sponta neous Emission)
Amplifica dor óptico de
semiconductor (Se mico nduc tor optical amplifier,
SOA)
Los amplificadores ópticos de
semiconductor tienen una estructura similar a un láser
Fabry-Pe rot salvo por la presencia de un anti reflectante en los
extremos. El anti reflectante incluye un antireflection coating y
una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la
estructura se comporte como un láser.
El amplificador óptico de
semiconductor suele ser de pequeño ta maño y el bombeo
se impleme nta de forma eléctrica. Podría ser menos
caro que un EDFA y pue de ser integrado con otros dispositivos
(láseres, moduladores…).
Sin embargo, en la actualidad, las
prestaciones no son tan buenas como las que presentan
los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos
ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no
lineales cuando se operan a eleva das velocidades…
Su elevada no-linealidad hacen atractivos
los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación
toda óptica o la conversión de longitud de onda.
También se está estudiando su uso para implementar pue
rtas lógicas.
Amplificadores Raman
Estos dispositivos se basan en amplificar
la señal óptica mediante el efecto Raman. A diferencia
de los EDFAs y de los SOAs, los amplificadores Raman se basan en
un una interacción no lineal entre la señal óptica
y la señal de bombe o de alta potencia. De esta forma, la
fibra convencional ya instalada puede ser usada como me dio con
ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor
e mplear fibras especialmente diseñadas (fibra altamente no
lineal) en las que se introducen dopantes y se reduce el
núcleo de la fibra para incrementar su no
linealidad.
La señal de bombeo se puede acoplar a
la fibra tanto en la misma dirección en la que se transmite
la señal (bombe o codireccional ) o en el sentido contrario
(bombeo contradireccional). Es más habitual el
bombeo contradireccional para evitar la amplificación de las
componentes no lineales.
El máximo de ganancia se consigue 13
THz (unos 100 nm) por debajo de la longitud de onda de
bombeo.
Para obtene r una bue na amplificación
es necesario usar potencias de bombeo elevadas (de hasta 1 W y
hasta 1,2 W para amplificación en banda L en fibra monomodo
estándar). Normalme nte se emplean más de dos diodos de
bombe o. El nivel de ruido que se obtiene es bajo especialmente
cuando se usa junto con EDFAs .
Autor:
Arias, Daniel
Lescano, Santiago
Martinez, Alejandro
Perez Marcos
Perez, Waldo
IPEM 258 "MAYOR INGENIERO FRANCISCO DE
ARTEAGA
13/10/ 2008
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