de Fibra Óoptica Capítul Cap ítulooCurso 1 – Con Concept ceptos, os, di diseñ seño y materia materiales les
José Manue Manuell Laín ~ jjmlain@ mlain@telne telnet-ri. t-ri.es es Versión 2 ~ Julio 2008 Diseñamos primero fabricamos después ,
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Introducción a los sistemas de fibra óptica
Un sistema de comunicaciones ópticas es una forma de transmitir información cuyo soporte básico es la luz. El primer paso para entender el funcionamiento de las fibras ópticas, es dar un repaso a los parámetros más rele relevan vantes tes de de la luz. luz. La tecnología de fibras ópticas comprende a su vez otros aspectos como la conectorización, empalmes, cables es dar de unafibra, perspectiva dispositivos de todos pasivos, estosetc. aspectos El objetivo relacionados con las fibras ópticas. Torre del Telégrafo Óptico de Mathé
“La información viaja en forma de luz a lo largo de dicho sistema” Diseñamos primero fabricamos después ,
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Naturaleza y composición de la luz (I)
Verano de Una terrible peste asola la obligada región de a Londres. La 1665. Universidad Universidad de Cambribge Cambribge se ve obl igada cerrar sus aulas y enviar a estudiantes y profesores a sus casas. Uno de estos estudiantes es un joven de 22 años, Isaac Newton, que va a pasar en su pueblo natal, Woolsthorpe, años de de vacaciones forzosas. Las vacaciones másdos fructíferas la historia de la ciencia. A lo largo de estos meses Newton va a concebir, experimentar y desarrollar sus geniales ideas sobre la naturaleza la luz, la gravitación universal y sobre el método de de fluxiones. A principios de 1666, valiéndose de un prisma y un agujero en la contraventana de su habitación va a demostrar que la luz del sol es una mezcla de colores.
Isaac Newton (1643 -1727) Diseñamos primero fabricamos después ,
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Naturaleza y composición de la luz (II)
La naturaleza de lables luzcomo ha sido estudiada desde añosinte por muchos científicos cientí ficos tan notables nota Newton Newto n y Max Plank, Plankhace , siendo interpreta rpretada da de diversas maneras: –
–
–
Como compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta (teoría corpuscular - Newt ewton - 167 1670). Como ondas similares a las del sonido que requerían un medio para transportarse (el Éter- teoría Ondulatoria - Huyg Huygen enss - 16 1678 78,, Youn Young g y Fres Fresnnel el). ). Como ondas electromagnéticas , al encontrar sus características similares a las ondas de radio (teoría electromagnética - Maxw Maxwel elll - 1860 1860). ).
– –
Como (Plank). paquetes de en energía Finalmente Final mente Broglie Broglie 1924 llamados unifi unifica ca la cuantos teoría electromagn ele ctromagnética ética y la de los cuantos (que provienen de la ondulatoria y corpuscular) demostrando la doble naturaleza de la luz.
“Desde un punto de vista un físico, la luz tratadoteoría comodual una ondaonda electromagnética o como fotón. Estopuede es laser famosa partícula de la física moderna”
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Comunicación Óptica. Evolución e Hitos (I)
1844
1870 18 70 1880 1910 1910 1953 19 53 1957 19 57 1957 19 57 1960 1962 1966
1970 1970 1970 5
Jo José sé Marí Ma ría a Math Ma é di diri rige ge las las nobr obras as línea. dnea. el tra traza del del telegrama telé telégr graf afoo óptic óp Madrid-Irún Madri d-Irún, , 52thé torres cubren cubre esta esta lídel Elzado primer pdo rimer teleg rama seticoo transmitió trans mitió el día 2 de octubr octubree de 1846 1846 Expe Experi rime ment ntos os de Jo John hn Tynd Tyndal alll en tr tran ansm smis isió iónn de luz luz po porr tray trayec ecto tori rias as curvilíneas (cilindros llenos de agua) Alexander Gr Graham Bell inventa el el Ph Photophone Pr Prim imer eros os ensa ensayo yoss con con guía guía onda ondass ópt óptic icas as de Hond Hondro ross y Derb Derbye ye Apar Aparec ecee el el tter ermi mino no fi fibr bra a ópt óptic ica a de la mano mano Ka Kapa pany ny Cabl Cablee coa coaxi xial al su subm bmar arin inoo TAT TAT-1 -1 co conn cap capac acid idad ad pa para ra 36 cana canale less d dee voz voz Apli Aplicac cació iónn prac practic tica a de guía guía onda ondass en en med medic icin ina: a: la Fibr Fibroe oesco scopi pia a Desarrollo Desar rollo del primer primer LASER LASER por Theodor Theodoree Maiman Maiman Los primeros primeros láseres de semiconduct semiconductores ores funcionan funcionan en varios varios laboratorios del mundo Kao y Hockh Hockhman man sugiere sugierenn el empleo empleo de la la fibra fibra óptica óptica en en las la fabricación comunicaciones, y purificación para ello delserán cristalnecesarias nuevas técnicas de Cabl Cablee coa coaxi xial al su subm bmar arin inoo TAT TAT-5 -5,, 845 845 ca cana nale less d dee voz voz Corning Corni ng produce produce la primera fibra fibra con grado grado de comunicación, comunica ción, con una una Diseñamos primero fabricamos después atenuación de 20dB/Km ,
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Comunicación Óptica. Evolución e Hitos (II)
1974 1975 1979
1983 19 83 1983 19 83 1986
1987 1988 19 88
Investigadores franceses del CNET proponen óptica el uso de técnicas holográficas para su empleo en conmutación AT&T hace la primera primera demostración demostración pública pública de una una transmisión transmisión óptica de datos pudiendo soportar hasta 50.000 canales de voz. Sitúa repetidores cada 11 kilómetros Manuel Villarig, como Director de I+D de Cables de Comunicaciones, promueve la primera instalación experimental de fibra óptica de España. Esta se realiza entre dos centros c entros de Telefónica. Be Bellll Syst System em es capa capazz de tran transp spor orta tarr 500. 500.00 000 0 cana canale less d dee voz voz po porr una una fibra situando repetidores cada 100 kilómetros Ca Cabl blee coa coaxi xial al su subm bmar arin inoo TAT TAT-7 -7,, 420 4200 0 can canal ales es de voz voz Investigad Inves tigadores ores de Telcordia Telcordia hacen la primera primera demostración demostración practica de DWDM. Sobre una fibra de 57 Km transm transmiti itióó 18 longit longitude udess d dee onda onda a máss d má dee 2 Gbit Gbitss por por llam ambd bda a Investigadores británicos de la universidad unóptico iversidad de Southampton desarrollan el primer el primer amplificador EDFA Pr Prim imer er cab cable le sub subma marin rinoo de de fibr fibra a ópt óptic ica a TAT TAT-8 -8.. Sopo Soport rta a has hasta ta 40. 40.00 000 0 Diseñamos primero canales de voz fabricamos después Constante desarrollo de la tecnología de guíaondas, micro-óptica, ,
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semiconductores láser, solitón, DWDM y conmutación óptica
Espectro electromagnético
La luz forma parte del espectro electromagnético, lo mismo que las señales de radio, televisión televi sión o rayos X (Es por ello qu quee pueden usarse, usarse, al igual que se usan las ondas de radio para la transmisión de información). Cada uno de estos tipos de onda comprende un intervalo definido por una magnitud característica caracter ística que pued puedee ser la longitud longitud de onda onda (λ) o la frecuencia (f).
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Frecuencia y Longitud de Onda
Para describir las ondas pueden utilizarse indistintamente cualesquiera de las dos magnitudes. Por razones históricas en los sistemas de comunicaciones convencionales, vía radio o cable, suele utilizarse la frecuencia, mientrasópticas que enseelutiliza campolade las comunicaciones longitud de onda. λ =
c f
Las comunicaciones ópticas utilizan ciertas porciones del espectro electromagnético, las cuales se denominan ventanas y corresponden a las siguientes longitudes de λ
onda ( ), expresadas en nanómetros. λ=
Letra griega lamda
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Propiedades de la luz (I)
Cuando la luzesencuentra camino chocade contra superficie dea.este y una parte reflejada.unSiobstáculo reflejada. el cuerpoen es su op opaco aco el resto la luzlaserá ser á absorbida. absorbid Si es transparente transparente una parte parte será absorbida absorbida como en el caso anterior anterior y el resto atravesa atra vesará rá el cuerpo. cuerpo. As Asíí pues pues,, tenemos tenemos tre tress posibili posibilidade dades: s: –
La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes y esta es reflejada. Cambio de dirección y sentido (Cuando nadas bajo el agua, a menudo no puedes ver el cielo, la luz es reflejada hacia abajo por la superficie del agua).
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Propiedades de la luz (II) –
La absorción es un proceso muy ligado al color. Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el
resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si las refleja todas es blanco y si las absorbe todas es negro. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar. –
La refracción se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar una superficie de separación entre medios diferentes. Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es diferente. por eso vemos una cuchara como doblada doblada cuando está en un vaso de agua, la dirección dirección de donde nos viene
la luz en la parte parte que está está al aire no es es la misma misma que la que está está metida metida en el agua). agua).
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Í ndice ndice de Refracción Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se le Índiceentre de Refracción "n",de unlanúmero de dividir la velocidad de la asigna luz en elunvacío la velocidad luz en deducido dicho medio. n=
c
donde: c = es la velocidad de la luz (3.000.000.000 m/s) en el aire
v
v n
= es la velocidad de la luz en un material especifico. = índice de refracción
Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus Índices de Refracción (ley de refracción de Snell).
1 n1 • senθ
=
n 2 • senθ 2
donde: n1= índice de refracción del material 1 (adimensional) n2= índice de refracción del material 2 (adimensional) i ncidencia (grados) θ1= es el ángulo de incidencia θ2 = es el ángulo de refracción (grados) Diseñamos primero fabricamos después ,
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Reflexión interna total: El principio de operació operación de la fibra Dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada. Se produce el efecto denominado de Reflexión Total
“En las comunicaciones ópticas, las ondas de luz se transmiten por un medio especifico llamado fibra óptica” Diseñamos primero fabricamos después ,
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Fibras ópticas Son conductos de vidrio u otro material transparente, capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy pocas pérdidas. La fibra óptica está está compue compuesta sta por dos capas de vidrio, cada una una con distinto índ índice ice de refracción. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento, razón por la cual, y debido a la diferencia de índices de refracción, la luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo.
“La condición más importante para que la fibra óptica pueda confinar la luz en el núcleo y guiarla es n 1 > n 2” Diseñamos primero fabricamos después ,
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Ángulo de aceptación Las ondas luminosas deben entrar en la fibra dentro de cierto ángulo, llamado Cualquier entrelasegún un ángulo mayor ángulo deimiento. aceptación del revestimient revest o. Este .án ángulo gulo estáonda definido definique do por apertura numérica NAa. Eltravés concepto de apertura numérica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de fibra y para calcular la eficiencia de acople fuente/fibra y esta definido por:
NA = sen α máx =
2
nc − nr
2
Donde máx, representa el máximo ángulo de aceptación. Como se puede apreciar de la expresión anterior, la apertura numérica es función de los índices de refracción de los materiales de la fibra. Diseñamos primero fabricamos después ,
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Proceso de fabricación Los principales materiales utilizados son el silicio de alta pureza y el vidrio compuesto (plástico). Entre estos materiales, el silicio de alto grado se considera generalmente el material más adecuado para fibras óptica. El vidrio de sílice utilizado en las fibras ópticas es tan puro que puede verse a través de –
–
un bloque de dicho vidrio de un kilómetro de espesor. En los vidrios ordinarios, sin embargo, no se aprecia nada tras un bloque de un metro de espesor. El silicio (Si), es el segundo elemento más común en la tierra después del oxígeno. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y silicatos. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena (SiO2).
A esta base de silicio se añaden boro, germanio, fósforo y aluminio, para controlar los índices de refracción del núcleo y del revestimiento
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Proceso de fabricación: Método VAD
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Proceso de fabricación: Estirado de la fibra (I)
En este proceso se fija el diámetro exterior de la fibra Se somete a la preforma preforma a una temperatu temperatura ra de 2000ºC 2000ºC en un horno horno tubul tubular ar para el reblandecimiento del cuarzo Factores Uniformidad decisivos: en la tensión de tracción que origina ori gina el estiramiento de la fibra fibra > 1% 1% (Proof (Proof test: 100 Kpsi) Kpsi) Ausencia de turbulencias en el horno •
• •
Ausencia de cuerpos extraños Se le aplica una capa de material sintético de protección que la preserva mecánicamen mecáni camente te y evita la formación de microcurva microcurvaturas turas (acrilato (acrilato 250 µm)
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Proceso de fabricación: Estirado de la fibra (II)
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Tipos de fibra óptica
Cable de fibra por su composición hay tres tipos disponibles actualmente: –
Núcleo de plástico y cubierta plástica
–
(P (POF OF,, Plas Plastiticc Opti Optica call Fibe Fiber) r) Núcleo de vidrio con cubierta de plástico
–
(P (PCS CS,, Plas Plastiticc Clad Clad Sili Silica ca)) Núcleo de vidrio y cubierta de vidrio (S (SCS CS,, Sili Silica ca Clad Clad Sili Silica ca))
“En el mundo de las telecomunicaciones, las fibras del tipo SCS son las más valoradas debido a que ofrecen un valor más bajo de atenuación y una mayor capacidad de transmisión” Diseñamos primero fabricamos después ,
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Clasificación de las fibras ópticas Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el áreafundamentalmente de las telecomunicaciones clasifican en dos se grupos según el modo de propagación: – –
Fibras Fibras Multimodo Monomodo
La fibra óptica también se clasifica en función del perfil de índice de refracción (variación índice conforme nos movemos en la sección transversal de la fibra óptica ópt ica).). Siendo Siendo d dos os los tipos tipos:: – –
Salto de índice Índice gradual Diseñamos primero fabricamos después ,
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Según el modo de propagación
Fibras ópticas Multimodo. Son aquellas que pueden guiar y transmitir varios rayos de luz por sucesivas reflexiones, (modos de propagación).
Los modos son formas de ondas admisibles, la palabra modo significa trayectoria.
Fibras ópticas Monomodo. Son aquellas que por su especial diseño pueden guiar y transmitir un solo rayo de luz (un modo de propagación).
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F.O. Monomodo y Multimodo
Recubrimiento Revestimiento Núcleo
MONOMODO
MULTIMODO
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Caracterí sticas sticas de las F.O.
.
Monomodo 10/125
Multimodo 50/125
Multimodo 62,5/125
Diámetro del núcleo
9,2 ± 0,4
50 ± 0,3
62,5 ± 0,3
Diámetro del revestimiento Diámetro del recubrimiento Error concentricidad núcleo-revest.
125 +/-1
125 +/-2
125 +/-2
245 ± 10
245 ± 10
245 ± 10
1 um
1,5 um
1,5 um
Error circularidad núcleo
≤
6%
≤
6%
≤
6%
Error circularidad revestimiento
≤
2%
≤
2%
≤
2%
Atenuación (dB/Km)
1310 nm ≤ 0,40 1550 nm ≤ 0,25
850 nm ≤ 3 1310 nm ≤ 1
850 nm ≤ 3,2 1310 nm ≤ 1 Diseñamos primero fabricamos después ,
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Según el perfil de í ndice ndice de refracción (I)
Fibras de salto de índice (SI), son aquellas en las que al movernos sobre el diámetro AB, el índice de refracción toma un valor constante n2 desde el punto A hasta el punto donde termina el revestimiento y empieza el núcleo. En ese punto se produce un salto con un valor n1 > n2 donde también es constante a lo largo de todo el
núcleo. Este tipo de perfil es utilizado en las fibras monomodo.
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Según el perfil de í ndice ndice de refracción (II)
ndice ce de rrefra efracció cciónn n2 es constante en el Fibras de índice gradual (GI).- El ííndi revestimiento, pero en el núcleo varía gradualmente (en forma parabólica) y se tiene un máximo en el centro del núcleo. Este tipo de perfil es utilizado en las fibras multimodo multim odo pues dismin disminuye uye la dispersión dispersión de las señales al variar la velocidad velocidad para las distintas longitudes de los caminos en el centro y próximos a la frontera.
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Ventajas de la Fibra Óptica
Ancho de banda muy elevado (GHz) Baja atenuación-larga distancia Inmunidad electromagnética Tamaño reducido Bajo peso Seguridad de la información Aislamiento eléctrico Rentabilidad No hay riesgo de chispas/explosión El silicio es uno de los materiales más abundantes Diseñamos de la tierra primero
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fabricamos después
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Protecciones secundaria Ajustada
Protección ajustada. Consiste en aplicar una cubierta inicial de material plástico (Poliamida, PVC) directamente sobre el recubrimiento primario de la fibra óptica que recibe el nombre
de protección secundaria
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Protecciones secundaria Holgada (I)
Protección holgada – Se crea una estructura holgada (tubo PBT) en el interior de la cual se alojan las fibras ópticas –
Cada protección holgada aloja en su interior una o varias fibras ópticas que se guían describiendo una trayectoria helicoidal helic oidal (exces (excesoo de fibra fibra 0 0,05 ,05 % - 0,15 % %))
–
Se produce un incremento longitudinal dediámetro los tubosde respecto del cable entre 1% y 4% en función del la estructura holgada debido a su disposición en SZ. La movilidad axial de la fibra dentro de la protección absorbe, sin que se produzca esfuerzo alguno en la fibra óptica elongaciones y contracciones de hasta el 0,5% de la Diseñamos primero longitud total del cable fabricamos después
–
,
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Protección secundaria Holgada (II)
Protección holgada. Presenta un comportamiento idóneo ante las vibraciones y absorbe las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de temperatura
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Aplicación de los principales materiales empleados en la construcció construcción de un cable óptico MATERIAL
APLICACIÓN
FIBRA ÓPTICA ELEM ELEMEN ENTO TO CENT CENTRA RALL DE DE SOP SOPOR ORTE TE
Elemento de transmisión de señal So Sopo port rtaa los los esfu esfuer erzo zoss a trac tracci ción ón y com compr pres esió ión n a que que eess som somet etid ido o eell cab cable le
PBT ((PPolibutilen Tereftalato)
Recubrimiento p pllástico se secundario ((ttubo). Pr Protección ho holgada
CO COMP MPUE UEST STO O DE RELL RELLEN ENO O (GEL (GEL))
Am Amor orti tigu guad ador or de las las ffib ibra rass en el in inte teri rior or de dell tubo tubo y esta estanq nque ueid idad ad al ag agua ua y h hum umed edad ad
POLIAMIDA
Recubrimiento plástico secundario. Protección ajustada
HILATURAS DE POLIÉSTER
Atar el cableado SZ del núcleo
COMPUESTO DE RELLENO
Impedir el paso de agua por el interior del núcleo (entre los tubos)
HI HILA LATU TURA RAS S BLOQ BLOQUE UEAN ANTE TES S AL AGU AGUA A
Co Colo loca cada dass en entr tree los los tubo tubos. s. B Blo loqu quea earr el pas paso o de aagu gua, a, al al hinc hincha hars rsee con con su con conta tact cto o
CINTAS BL BLOQUEANTES AL AL A AG GUA
Impiden el paso de de agua entre eell nú núcleo y la la cubie bierta
HILATURAS DE AR ARAMIDA
Soporta, jju unto al elemento ce central, llo os esfuerzos a tracción a que eess sometido eell ccaable Para cables aéreos, con protección balística
CINTA TEJIDA TEJIDA DE ARAMIDA, ARAM ARAMIDA IDA POLIÉSTER CINTA DE ACERO COPOLÍMERO
Para cables que exijan mejores características en aplastamientos y protección de roedores. Para mejorar diseños de cable no propagadores a los incendios.
HI HILA LATU TURA RAS S DE DE FFIB IBRA RA DE VÍ VÍDR DRIO IO
Co Como mo elem elemen ento toss de de ttra racc cció ión, n, co comp mpre resi sión ón y qu quee mej mejor oren en la la pro prote tecc cció ión n de ro roed edor ores es y pro propa paga gaci ción ón a los los ince incend ndio ioss
CIN INTA TAS S DE DE FFIB IBRA RA DE VÍD ÍDR RIO
Pa Para ra dise diseñ ño d dee ccaables bles qu quee mej mejor oren en el com ompo port rtam amiiento ento a los los ince incend ndio ioss y com como prote roteccción ión de de roe roedo dore ress
POLIETILENOS (PE)
Para las cubiertas plásticas interiores y exteriores
COMP. TERMOPLÁSTICO IGNIF. (TI)
Para cubiertas de cables resistentes a la propagación y comportamiento frente alDiseñamos fuego
CONCENTRADOS DE COLOR
Colorantes en forma de “masterbatch” para tintar PBT, PE, TI, PVC, ...
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Fibra CaCurso Capít pítulo ulo 2de – Medid Me didas asÓ y ptica Ens Ensayo ayoss
José Manue Manuel l Laín ~ jmlain@ jmlain@telne telnet-ri. t-ri.es es Adolfo García Yagüe ~
[email protected] Versión 20.0 Mes2008 Año Versión ~~ Julio Diseñamos primero fabricamos después 1 ,
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Laboratorio Óptico Medidas sobre m. primas y producto terminado
Gráficas de retrodispersión OTDR Atenuación espectral Longitud de onda de corte PMD Dispersión cromática Diámetro de campo modal Medidas geométricas fibra óptica de la Diseñamos primero fabricamos después ,
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Caracterí sticas sticas de las fibras ópticas
Atenuación –
–
–
Se pierde parte de la señal en el núcleo, pese a que no exista refracción. Se mide en decibelios (dB) por unidad de longitud (dB/Km). Las pérdidas están causadas por varios factores por lo que pueden clasificarse en: • •
Extrínsecas Intrínsecas
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Extrí nsecas nsecas
Pérdida por curvatura. Son las producidas cuando una fibra es doblada con un radio más pequeño que el especificado en las características técnicas. –
• • •
Defectos de fabricación. Procedimiento de instalación. Se denominan micro-curvaturas e influyen en largas distancias (λ 1550nm).
Pérdidas por conexión y empalmes Pérdidas Pérdi das de inserción inserción del del conexiona conexionado do (0,3 – 0,8 dB) Empalmes mecánicos, alrededor de 1 dB. Empalmes por fusión (
