Telecomunicaciones a travйs de Fibras Уpticas

1
Telecomunicacionesa través deFibras Ópticas

• Ing Juan R García Bish
• Jrgbish_at_hotmail.com

2
Agenda

• Ventajas de las comunicaciones a través de fibras
  ópticas
• Principios de las comunicaciones ópticas
• Modos de propagación
• Atenuación
• Dispersión
• Fuentes de luz, transmisores ópticos
• Amplificador óptico
• Receptores ópticos

3
Ventajas del uso de Fibra Óptica

• Insensible a campos eléctricos y magnéticos
  La señal se transmite en forma de paquetes
  de energía llamados fotones.
• Toda la energía queda confinada al interior de la
  fibra. No existe irradiación ni interferencia
  entre distintas fibras del mismo cable.
• Peso reducido (muy liviana)
• Baja atenuación (permite saltos de mas de 100 km
  sin amplificación ni regeneración)
• Gran capacidad de transmisión (cientos de Gbps
  por una simple fibra utilizando DWDM)

4
Principio de la Propagaciónen Fibras Ópticas

• El principio que explica las comunicaciones a
  través de fibras ópticas es la Ley de Snell
• Cuando un haz de luz incide sobre la superficie
  de separación entre dos medios parte de la
  energia se refleja volviendo al mismo medio del
  cual provenía y parte de la energía se refracta
• La refracción es el fenómeno por el cual la
  energía ingresa al segundo medio pero el haz de
  luz sufre un cambio de ángulo.

5
Reflexión y Refracción
Ley de Snell n1 . sen q1 n2 . sen q2
6
Indice de Refracción

• El indice de refracción es un número adimensional
  que mide la relación entre la velocidad de
  propagación de la luz en el vacio versus el medio
  considerado.
• Valores típicos
  - Vacio 1.0
  
  - Aire 1.0003
  - Agua
  1.33
  - Vidrio 1.5
  
  - Diamante 2.0
  - Silicio
  3.4

7
Reflexion Parcial y Total
8
Reflexión Parcial y Total
9
Apertura Numérica Ángulo de Aceptación

• Los rayos dentro del alma de la fibra óptica
  pueden incidir en varios ángulos pero la
  reflexión interna total se produce exclusivamente
  para aquellos que inciden con un ángulo mayor que
  el crítico.
• Este fenómeno evita que los rayos abandonen la
  fibra antes de llegar al extremo de la misma.
• Angulo de aceptación es el angulo máximo medido
  desde el eje de la fibra para el cual el rayo
  incidente experimenta reflexión total.
• La apertura númerica es un número adimensional
  que esta dado por el seno del ángulo de aceptación

10
Ángulo de Aceptación
11
Modos de Propagación

• Dentro de los límites impuestos por la apertura
  numérica los rayos pueden propagarse en varios
  ángulos.
• Los que se propagan con bajos ángulos respecto al
  eje de la fibra se denominan modos bajos.
• Estos modos no existen en forma continua. Para
  una dada longitud de onda existen una serie de
  ángulos discretos en los cuales existe
  propagación.
• Fibra monomodo es aquella en la cual el area del
  nucleo y la apertura numérica son tales que
  permiten la propagación de un solo modo.

12
Modos Secundarios

• Modos secundarios sufren una alta atenuación y se
  extinguen antes de los 50 metros.
• La mayoria de ellos se vinculan con la
  propagacion de energía a través de la capa
  superficial de la fibra (cladding).
• Pueden eliminarse rodeando la fibra desnuda con
  una cubierta cuyo indice de refracción sea mas
  elevado.

13
Atenuación en el cable de F.O.

• Los modos que se propagan por el centro de la
  fibra (core) sufren un proceso de atenuación.
• La atenuación se produce por
  - Dispersión
  producida por materiales extraños.
  - Absorción molecular.
  -
  Irregularidades en la interfase core-cladding.
• Las dos primeros mecanismos dependen de la
  distancia que debe recorrer el haz dentro de la
  fibra
• El último depende de la cantidad de reflexiones.
• Los modos de mayor orden sufrirán una mayor
  atenuación (mayor distancia y mas reflexiones)

14
Atenuación por Dispersión(Scattering)
15
Atenuación por Absorción
16
Curva de Atenuación
17
Atenuación en las Interfasesde Acoplamiento

• Interfases de acoplamiento pueden ser
  - Entre dos fibras ópticas
  conectores y empalmes - Entre disposito y fibra
  TX-FO o RX-FO
• Los mecanismos que producen atenuación en las
  interfases de acoplamiento son
  - Vinculadas con valores de
  la apertura numérica. - Vinculadas con el
  area de los port ópticos.
  - Pérdidas de tipo Fresnel (reflexión)
  - Provocadas por
  desalineamientos y/o separación.

18
Perdidas vinculadas con laApertura Numérica

• Pueden ignorarse siempre que la apertura numérica
  del dispositivo receptor ( RX o FO ) sea mayor
  que la del dispositivo transmisor (TX o FO) .
• En caso contrario

Ap. numérica Fuente Perd. Ap. Num. 20.log
----------------------------
Ap. numérica Receptor
19
Perdidas Vinculadas a laDiferencia de Areas

• Pueden ignorarse siempre que el area del
  dispositivo receptor resulte mayor que la del
  dispositivo transmisor.
• En caso contrario debe computarse

Diámetro Fuente Pérdida Dif. Area 20 log
-------------------------
Diámetro Receptor El
diámetro a considerar es el del nucleo de la
fibra
20
Diferencia de AreasPérdida de Empaquetamiento

• En el caso de tener un manojo de fibras debe
  agregarse una pérdida adicional que es la que
  corresponde a la fracción de empaquetamiento

Area Activa Perdida Empaquetamiento 20
log ----------------
Area Total


21
Perdidas Tipo Fresnell(Refexión)

• Se produce siempre que el haz de luz pasa de un
  medio a otro de indice de refracción diferente ya
  que parte de la energia se refleja.
• Esta dada por
• 
  n1 n2
• 
  2 ----- ------
• 
  n2 n1
• Perdida Fresnell 10 . Log
  -----------------------
• 
  4
• Cuando n1 n2 la perdida tipo fresnell es
  cero
• Se introduce gel para adaptar los indices de
  refracción y reducir las perdidas .

22
Perdidas Tipo Fresnell(Refexión)
23
Perdidas por Desplazamiento lineal del Nucleo
24
Perdidas por Desplazamiento Lineal del Nucleo
25
Perdidas por Desplazamiento Angular
26
Pérdidas por desplazamiento angular
27
Conectores de Fibra Óptica(Según la terminación
del Ferrule)

• Primeros conectores con terminaciones planas
  enfrentadas que no entraban en contacto (air gap)
• Conectores tipo PC (physical contact) eliminan el
  gap de aire de la interfase de fibra.
  Perdida de retorno igual
  a 30 dB
• Conectores Super PC mejora el pulido de las
  superficies y llega a perdida de retorno de 45
  dB.
• Conectores ultra PC con bordes redondeados mejora
  el contacto y perdida de retorno de 55 dB.
• Conector APC (angle physical contact) frente
  pulido en ángulo refleja hacia fuera, retorno 60
  dB

28
Conectores de Fibra ÓpticaPérdida de Retorno
29
Empalmes de Fibras Ópticas
30
Empalmes de Fusión
31
Empalmes de FusiónDeformacion del Nucleo
32
Dispersión

• Dispersión es el fenomeno por el cual un pulso
  luminoso bien conformado aparece en la salida
  como un pulso mas ancho y con flancos graduales.
• Dos tipos de dispersión
  - Dispersión
  modal.
  - Dispersión cromática

33
Dispersión Modal

• Los diferentes modos recorren distintos caminos
  antes de llegar al extremo remoto de la fibra.
• Los modos mas bajos recorren distancias mas
  cortas y llegan antes.
• La dispersión modal se acota con un valor menor
  de apertura numérica .
• Como la dispersión limita el ancho de banda las
  fibras multimodo se utilizan solo para distancias
  cortas o velocidades bajas.

34
Dispersión Cromática

• Las diferentes longitudes de onda se propagan a
  distintas velocidades por el interior de la fibra
  .
• La única manera de combatir los efectos negativos
  de la dispersión cromatica es tratar de trabajar
  con una fuente de luz lo mas pura posible (luz
  compuesta por una sola longitud de onda)
• La relación entre n y la longitud de onda
  aproximadamente esta dada por
• B
  C
• n A ----- ------
  
• l2
  l4
• Donde A, B y C son constantes del material

35
PMD(Polarization Mode Dispersion)

• Un haz de luz puede considerarse como un frente
  de onda de energia electromagnética con
  polarizacion circular que puede descomponerse en
  dos señales con polarizacion lineal a 90 grados.
• La fibra puede tener preferencias dimensionales
  en su estructura que hacen que la velocidad
  resulte mayor en una polarización que en la otra.
• Valores especificados del PMD estan por debajo de
  0.5 ps/(km)-2 a 1310 nm y con estos valores
  mayormente no contribuyen a la distorsión total .

36
Fuentes de LuzLaser vs Led

• Fuente de señal óptica es el elemento generador
  de energía dentro del espectro visible o
  infrarojo.
• La mayoria de las fuentes de señal óptica generan
  un espectro de diferentes longitudes de onda y la
  fase no es uniforme (luz incoherente).
• Los LED (Light Emitting Diode) son la fuente de
  señal óptica mas económica, se utiliza en TX
  pulsantes (on-off) y no emiten una señal pura.
• Los LASERS (Light Amplification by Stimulated
  Emission of Radiation), se utilizan en tanto en
  TX pulsantes como analogicos, emiten una señal
  mas pura y tienen una cavidad resonante.

37
Emisor LaserCurva de transferencia
38
RIN(Relative Intensity Noise)

• La luz emitida por los diodos laser tiene
  pequeñas fluctuaciones aleatorias que se
  caracterizan a través del RIN.
• El RIN se expresa como potencia de ruido
  (fluctuaciones) dentro de una banda de 1 Hz
  comparada con la potencia óptica promedio.
• RIN típico para lasers DFB es 160 dB/Hz
• El valor del RIN se degrada rapidamente si hay
  reflexiones desde la carga hacia el laser.
• Para evaluar su efecto debe compararse con el
  indice de modulación óptica (OMI).
• RIN 160 dB/Hz OMI 3 BW 77 CH C/N 60 dB

39
CHIRPIncidental Wavelength Modulation

• Cuando la corriente que circula a traves de un
  lase cambia por efectos de la modulación
  (modulación directa) se produce una pequeña
  variación de la longitud de onda emitida.
• Esta modulación de FM incidental se conoce como
  CHIRP.
• Valores típicos de Chirp entre 50 y 500 MHz/mA
• Laser tipo DFB tienen menor valor de Chirp
• Laser de 1310 nm menor Chirp que 1550 nm .

40
Laser Fabry Perot

• La luz es reflejada y vuelta a reflejar entre dos
  espejos a ambos lados de un semiconductor. El
  material y los dos espejos forman una cavidad
  resonante que determina la long. de onda.
• La oscilacion tiene lugar en varias frecuencias
  para las cuales la separacion es multiplo de l/2.
• La luz emitida tiene muchas componentes
  espectrales y la energia se dispersa.
• Exibe cierta inestabilidad en la potencia de
  salida que se traduce como ruido (RIN)
• Se utiliza para transmision de datos en el
  retorno.

41
Laser DFB

• El laser DFB es una modificacion del FP que
  utiliza una rejilla (reticula) de difracción que
  se comporta como un circuito sintonizado
  ópticopara restringir la oscilación a un único
  modo.
• DFB Distributed Feedback Laser
• Es la fuente mas común para transmisores de
  downstream.
• Valores típicos
  C/N 60.5
  dB C/CSO 60 dB C/CTB 65dB
  con una carga de 80 canales analógicos.
  

42
Receptor Óptico

• Los receptores ópticos estan casi standarizados.
• El haz de luz se hace incidir sobre una
  superficie de un fotodiodo que tiene una curva de
  transferencia cuadrática (corriente de salida
  proporcional a la potencia óptica de entrada).
• Responsitividad típica 0.8 a 1 mA/mW.
• Caracteristicas de ruido del receptor dada por
  - Ruido de impacto del fotodiodo.
  - Ruido del
  amplificador de RF.
• Como la impedancia del fotodiodo no es 75 ohms se
  requiere un transformador adaptador o circuito
  activo especial o amplificador trasimpedancia

43
Amplificador Óptico

• La forma mas comun de amplificador óptico es el
  EDFA (Erbium Doped fiber amplifier.
• En los EDFA la señal de entrada se combina en un
  acoplador WDM con una señal de alta potencia de
  980 nm sin modular (bombeo)
• Las dos señales se envian a una fibra dopada con
  erbio.
• La señal de bombeo hace que los electrones de los
  atomos de erbio salten a una banda de energia
  superior.
• Cuando los electrones vuelven a su nivel de
  enrgia original refuerzan la señal de 1550 nm.

44
Amplificador Óptico
45
Amplificador ÓpticoRuido
46
SBSStimulated Brillouin Scattering

• Existe un límite en el valor de la potencia
  óptica máxima que puede transmitirse por una
  fibra.
• Cuando el campo asociado con una señal luminosa
  llega a cierto nivel solo parte de la energía con
  que se exitan los electrones se convierte en un
  frente de onda luminoso, el resto de la energia
  se convierte en una onda acustica.
• La onda acustica se traduce en presiones y
  variaciones del indice de refraccion lo cual
  afecta la propagación de la onda luminosa.

47
Limitación de la potencia máxima
48
Limitación de la potencia máxima
49
Limitación de la potencia máxima
50
Enlace Óptico
51
Enlace Óptico
52
Fibras ÓpticasIndice Gradual vs Escalonado
53
Fibras ÓpticasDiferentes tipos

• Según los modos de propagación
  - Monomodo
  -
  Multimodo
• Según indices del refracción
  - Escalonado
  
  - Gradual
• Según la dispersión cromática
  - Standard ,dispersion cero en
  1310 nm . - Dispersión
  desplazada (shifted), cero en 1550 nm - Non
  zero dispersion, optimizada para DWDM

54
Cables de Fibra ÓpticaCentral Tube
55
Cables de Fibra ÓpticaLoose Tube