Fibra Optica

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ENLACES DE FIBRA OPTICA

La fibra óptica La fibra óptica en si, es una guía de onda dieléctrica cilíndrica por cuyo interior viaja la información como ondas electromagnéticas, con la particularidad de ser muy cortas, iguales o muy próximas a las ondas de la luz visible, es decir, ondas submilimétricas. El método de transmisión consiste en modular los parámetros de la luz, conforme a la señal de información y guiarla a su destino a través de un medio óptico, que es en este caso una fibra muy delgada de vidrio silicoso u otro material adecuado, constituido de un núcleo con un índice de refracción n1, un manto o envoltura de índice de refacción n2 y un recubrimiento.

Figura 1 Elementos fundamentales en una fibra óptica

Núcleo Núcleo o alma alma

: Es la la porc porción ión con conduc ducto tora ra de luz; luz; es el el centr centro o dieléc dieléctri trico co en en una una fibra fibra óptica, cuyo índice de refacción es mayor que el índice de refracción del medio que la envuelve.

Manto o Envoltura Envoltura : Forro exterior o envoltura envoltura fundido fundido al núcleo de la fibra. fibra. Recubr Recubrimie imiento nto luz.

: Envo Envoltur lturaa de de prote protecció cción n mecán mecánica ica y evita evita la la pene penetrac tración ión de rayo rayoss de

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Propagación de la luz Bajo una perspectiva geométrica, cada vez que rayos de luz son inyectados en el núcleo de una fibra óptica (acercando una fuente de luz al extremo de ella), al interior de la fibra existirán diferentes tipos de rayos según el ángulo con que ellos ingresen al núcleo respecto al eje longitudinal de ella y debido a la diferencia entre el índice de refracción del núcleo y de la envoltura: Rayos Especiales; son aquellos que escapan hacia afuera de la fibra, puesto que al incidir en la unión núcleo envoltura, la mayor parte de la energía será refractada hacia la envoltura y de allí al espacio exterior. Rayos del Manto; en este caso la mayor parte de la energía será refractada hacia la envoltura pero no logrando pasar la unión envoltura aire, siendo guiados por la propia envoltura. Rayos del núcleo: estos son los que realmente interesan para la comunicación óptica puesto que llevan un ángulo suficientemente pequeño para que no exista rayo refractado en la unión núcleo envoltura de forma que toda la energía será reflejada hacia el núcleo de nuevo en forma sucesiva hasta emerger en el otro extremo de la fibra.

Figura 2 Reflexión y refracción producida en la superficie de separación de dos medios

Los efectos anteriormente descritos pueden ser explicados fácilmente por el fenómeno llamado “Reflexión total interna”, que se produce cuando el rayo incidente a la unión núcleo-envoltura tiene un ángulo llamado Angulo Crítico, tal que el rayo es refractado paralelamente a la unión, es decir, formando 90º respecto del eje transversal. Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Cualquier rayo que incida sobre la unión núcleo-envoltura con un ángulo mayor que θc, experimentará reflexiones sucesivas a través del núcleo de la fibra óptica constituyendo el flujo de luz guiada. En la figura 2 muestra en forma resumida la refracción y reflexión, con sus ángulos. La ley que rige estos fenómenos es la "ley de Snell". Esta ley se expresa en la siguiente fórmula matemática:

n1 * sen ( φi) = n2 * sen ( φt) Si el ángulo de incidencia φi, aumenta gradualmente, el ángulo de refracción φt, se aproxima a 90º. Cuando φi llega a un cierto ángulo, el rayo de luz no pasa hacia el medio cuyo índice refractivo es n2, es decir, toda la luz es reflejada y nada es refractada. Este fenómeno es llamado la reflexión total interna y el ángulo de incidencia en el cual esta reflexión total comienza a ocurrir, se llama ángulo crítico φc. El ángulo crítico determina entonces un cono de aceptación en la sección transversal del extremo de la fibra, típico de esa fibra, puesto que dependerá exclusivamente de los índices de refracción de núcleo y envoltura (para producir el efecto de guiamiento adecuado, la envoltura posee un índice de refracción levemente inferior al núcleo).

Apertura numérica La medida de aceptación de una fibra es representada por el parámetro Apertura Numérica NA, que es independiente del diámetro de la fibra:

 NA =

2

2

n1 − n2

= sen α c

Donde: αc es el ángulo máximo, respecto de la horizontal, de aceptación de rayos en la cara transversal del extremo de la fibra.

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Clasificación de las fibras ópticas Como se muestra en la Tabla 1 la fibra óptica puede ser clasificada dependiendo del material dieléctrico utilizado, del número de modos de propagación y de la distribución del índice de refracción del núcleo.

Por materiales dieléctricos

Fibra óptica de silicio Fibra óptica de vidrio multicompuesto Fibra óptica plástica

Por modo de propagación

Fibra óptica monomodo (SM) Fibra óptica multimodo

Por distri distribu bució ción n del del índic índicee de de refr refracc acción ión

Fibra Fibra óptic ópticaa de de índi índice ce escalo escalona nado do (SI) (SI) Fibra óptica de índice gradual (GI)

Tabla 1 Clasificación de la fibra óptica

Clasificación por material utilizado La Tabla 1 muestra primeramente la clasificación de la fibra óptica de acuerdo al material dieléctrico usado. La primera es la fibra óptica de vidrio de cuarzo, la cual contiene no sólo cuarzo puro (SiO 2) sino que también aditivos o dopantes tales como germanio (Ge), boro (B) o flúor (F) para cambiar el índice refractivo. Es corrientemente usada en los cables de fibra óptica para las redes de telecomunicaciones, porque ofrece bajas pérdidas y una gran estabilidad en el largo plazo de sus características de transmisión, las cuales son excelentes.

La fibra óptica de múltiples materiales son aquellas formadas por diferentes tipos de vidrio a los cuales se agregan algunos metales alcalinos como dopantes. Este tipo de fibra sigue en investigación y su objetivo es lograr una fibra con muy bajas pérdidas y excelentes características de transmisión.

Existen además en el mercado, las fibras ópticas de materiales plásticos. Estas no tienen buenas características de propagación y sólo se pueden usar en tramos muy cortos. Sin embargo, tienen muy buenas características para doblarlos, torcerlos, son muy Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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resistentes a la tracción, etc., que las hacen muy atractivas para usarlas dentro de naves, vehículos, buques, etc.

Clasificación por modo de propagación Dado que una fibra óptica es un guía que impone restricciones a la propagación de una onda electromagnética, existirán formas únicas de propagación, denominadas “modos”. Para el caso de la fibra óptica más sencilla, el número de modos de propagación queda dado por:  N  =

(4π a )

λ 

2 2

2

(n1 − n2 )

Donde: N: Número de modos de propagación n1: índice de refracción del núcleo n2: índice de refracción de la envoltura a: radio del núcleo λ: longitud de onda de trabajo De acuerdo al número de modos que se propaga por el núcleo existen las llamadas Multimodos (Muchos modos) y la Monomodos (Sólo un modo).

Clasificación de acuerdo al perfil de distribución del índice de refracción Cuando el índice de refracción “n” de una fibra óptica es considerado como una función del radio r, se tiene lo que se conoce con el nombre de “Perfil del índice de refracción”. En esta clasificación se distinguen dos tipos de fibra, la de índice escalón (stepindex) y la de índice gradual (graded-index). La fibra óptica tipo SI, cuyo perfil de distribución de índice de refracción puede ser apreciado en la figura 3, puede ser una fibra multimodo o monomodo. Se debe notar, que la fibra monomodo solo transmite un modo, para lo cual se fabrica con un radio de núcleo muy pequeño. La diferencia entre los valores de los índices n1 y n2 es muy pequeña, del orden del 1%, comparada con la fibra óptica tipo multimodo. El perfil de índice de refracción para una fibra óptica tipo gradual se asemeja a una parábola y se muestra también en la figura 3.

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Figura 3 Perfiles de distribución de índices de refracción en diferentes fibras.

Figura 4 Propagación de la luz en fibra óptica tipo gradual

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Diámetro del campo modal (MFD) En fibras monomodos, el diámetro del campo modal caracteriza el tamaño del núcleo, la potencia acoplada y la habilidad para hacer uniones de bajas pérdidas y representa la distribución transversal de la potencia propagándose en la fibra, la cual tiene su mayor intensidad en el centro y decrece hacia el revestimiento.

Figura 5 Diámetro del campo modal ( MFD ) 2

El radio al cual la intensidad cae a 1/e = 0.135 del valor máximo se denomina “Radio del campo de modo”, y por lo tanto, “Diámetro del campo modal” (MFD) se define como dos veces dicho radio.

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Limitaciones de la fibra óptica Las dos grandes limitaciones de la fibra óptica que deben ser consideradas en el diseño de enlaces son la Atenuación (o pérdidas) y la Dispersión (o ensanchamiento del pulso).

Pérdidas de luz en las fibras ópticas Las pérdidas en las fibras ópticas se refiere a la atenuación que sufre la señal luminosa durante su trayectoria en la fibra. Esto es de especial importancia cuando se diseña un enlace y luego, cuando se instala. Se debe recordar, que en todos los sistemas de comunicaciones se trata de minimizar los costos de instalación, para lo cual, uno de los factores que se deben minimizar, es justamente el de las pérdidas. Cuando una señal óptica se propaga a lo largo de una fibra experimenta una atenuación y el nivel de potencia a distancia de z kilómetros del emisor es: P(z) = P exp (-αz) Obviamente, valores más bajos de pérdidas significan distancias de transmisión más largas para enlaces de fibra óptica.

Clasificación de las pérdidas ópticas Las pérdidas de luz se pueden clasificar gruesamente en pérdidas producidas por la fibra (intrínsecas), que vienen de fábrica, (absorción, scattering Rayleigh, dispersión estructural) y pérdidas externas a la fibra o provocadas en la instalación del sistema (curvaturas, microcurvaturas, conexiones, acoplamientos, etc.) generadas por los mecanismos del sistema.

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Figura 6 Las diferentes causas de la atenuación en una fibra óptica

Figura 7 Características de pérdidas ópticas de una fibra óptica

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La figura 6 muestra los diferentes factores por los cuales existen las pérdidas de luz, mientras la figura 7 muestra la curva de pérdidas típica de una fibra óptica, que resumen las pérdidas por absorción y scattering Rayleigh de la luz. En esta figura 7 se pueden apreciar las "ventanas", o longitudes de ondas que se utilizan en los sistemas de fibras ópticas, a medida que la tecnología ha progresado, éstas han cambiado. Actualmente se usa principalmente la tercera ventana, 1,55 um.

Pérdidas por absorción: La absorción ocurre cuando la luz que viaja dentro de la fibra óptica se transforma en calor. Esta pérdida aparece como que parte de la luz es absorbida por el material de la fibra, como una cortina negra que absorbe la luz y también la convierte en calor. En general, la absorción es causada por las capacidades de absorción del vidrio en sí mismo y por las impurezas presentes en él (OH iones de hidróxido, iones de metal). Pérdidas por Scattering Rayleigh: El scattering Rayleigh ocurre cuando las ondas de luz chocan con una substancia cuyas partículas tiene un tamaño comparable a la longitud de onda, siendo la luz dispersada en varias direcciones. En el proceso de fabricación de la fibra, donde es aplicado mucho calor al núcleo, se producen desigualdades del índice de refracción, las cuales permanecen en la fibra óptica para siempre. Esta es la razón de las pérdidas de potencia en las fibras ópticas debido a scattering Rayleigh. Pérdidas por scattering debido a estructura no uniforme: En la fibra óptica, existen pequeñas fluctuaciones o irregularidades en la superficie frontera entre el núcleo (core) y el revestimiento (clad). Estas fluctuaciones causan que la luz atraviese materiales con diferente índice de refracción, lo que produce que parte de la luz se disperse en varias direcciones. Pérdidas causadas por curvaturas: Estas pérdidas se producen cuando la fibra se dobla, ya que se puede llegar a exceder el ángulo de incidencia máximo del rayo de luz para producir el fenómeno de la reflexión total. Luego, parte de la energía es irradiada hacia afuera de la fibra. Para evitar este tipo de pérdidas, que puede llegar a ser muy crítico, se debe tener el cuidado de no doblar la fibra con radios menores a un radio específico dado por el fabricante, por ejemplo 40 mm. Pérdidas por microcurvaturas: Cuando una presión lateral no uniforme es aplicada a una fibra óptica, el eje longitudinal de la fibra es ligeramente curvado (algunos um.), lo cual causa una aumento de las pérdidas. Pérdidas por uniones: Las uniones de fibra óptica, conectores (desmontables) o empalmes (permanentes) son similar a las uniones de dos cañerías de agua o gas. El empalme debe ser perfecto de Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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manera de evitar filtraciones hacia afuera de gas o agua. Las uniones de fibra deben ser perfectas de modo de evitar las filtraciones y reflexiones de luz (reflexión de Fresnel).

Pérdidas de acoplamiento entre la fibra y los aparatos receptores y transmisores: Debido a que los diámetros de las fibras son tan pequeños, a que el ángulo con que el rayo de luz debe entrar a la fibra debe ser muy preciso, y a que los dispositivos productores de luz no son perfectos, se pueden producir grandes pérdidas al introducir la luz a la fibra (núcleo). Esto se soluciona colocando al emisor, en fábrica, un trozo de fibra (pigtail). En el receptor es conveniente evitar el reflejo de la luz hacia la fibra.

Dispersión de la luz en las fibras ópticas (Ensanchamiento) La dispersión es un fenómeno que se produce por diferentes causas, pero que básicamente se puede definir como el ensanchamiento de los pulsos que son transmitidos, debido a que los componentes de la señal de luz toman tiempos diferentes para recorrer la fibra óptica y alcanzar el extremo receptor. En un caso exagerado de dispersión, cada pulso resultaría ensanchado en el receptor de modo que se superpondrían los pulsos, imposibilitándose así el buen reconocimiento de los instantes en los que existe y no existe pulso.

Figura 8 Efecto de la dispersión en una fibra óptica

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Como se puede apreciar en la figura 8, el impulso de salida presenta una asimetría que no existía en la entrada, con una forma de caída más acusada que con respecto a la original, la que produce un error de lectura. Como se observa los bits enviados son 11 001 pero en recepción la información se interpreta como 11 101. La dispersión puede ser de tipo “modal”, debido a los múltiples modos de propagación que recorren diferentes caminos ópticos del núcleo. Si se reduce el número de modos que propaga una fibra a solo uno se tiene la fibra llamada monomodo; en esta fibra solo existe la llamada dispersión cromática, que es dependiente de la longitud de onda utilizada.

Dispersión modal En las fibras multimodo , existen diversos modos o de rayos propagándose por su interior. La principal característica de estos modos es que ellos viajan por distintas trayectorias. En un caso extremo, existirían rayos propagándose axialmente y otros describiendo una línea quebrada que traspasaría el eje de la fibra. Obviamente el resultado de estas diferencia de trayectorias se traduce en una diferencia en el tiempo de llegada al receptor, produciéndose así el ensanchamiento de los pulsos. Este fenómeno se puede apreciar en la figura 9.

Figura 9 Dispersión modal

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Dispersión Cromática ( σc) Tal como se muestra en la figura 10, se define como dispersión cromática a toda dispersión que tenga como origen una dependencia de la longitud de onda, es decir, a la suma de la dispersión “material” y del “guía de onda”.

Figura 10 Coeficiente de Dispersión cromática ( σc)

Dispersión del guía de onda ( σg) Cuando el índice de refracción del núcleo difiere sólo levemente del índice del revestimiento, parte de la luz se refleja después que hubo penetrado en él. El grado de penetración en el revestimiento dependerá de la longitud de onda de la señal. Luego para cada longitud de onda existirán diferentes trayectorias lo que implica un menor o mayor tiempo de viaje para alcanzar el receptor. Es así como se produce el ensanchamiento de los pulsos y su correspondiente traslape. La figura 11 gráfica este concepto.

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Figura 11 Dispersión de guía de onda

Fibras de dispersión desplazada Como se observa en la figura 10 anterior, la longitud de onda típica a la cual la dispersión es cero, es alrededor de 1,3 micrómetros. Por otra parte la longitud de onda a la cual las pérdidas son mínimas es 1,55 micrómetros, es decir, no son coincidentes. Luego lo que se ha hecho para maximizar las características de transmisión, es desplazar la curva de dispersión, de modo que se obtenga tanto las mínimas pérdidas como la mínima dispersión. El desplazamiento de la curva de dispersión se muestra en la figura 12.

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Figura 12 Dispersión en una fibra óptica normal y de dispersión desplazada

Ancho de banda en fibras monomodo En las fibras monomodo solo actúan la dispersión cromática y del guiaondas En los diseños convencionales, la dispersión del guíaondas, será despreciable, salvo en la región donde esta se anula, en torno a 1300 nm, (ver figura 13) pudiendo aproximarse, excepto en esa región, a la expresión siguiente:  B(GHz ) =

0,187

σ c (nS )

Donde: B es el ancho de banda en GHz σc es la dispersión cromática total en nS

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Figura 13 Representación de ancho de banda de una fibra óptica

Efecto de la dispersión cromática En el caso de enlaces con fibra monomodo, los pulsos de luz propagándose a lo largo de la fibra experimentan una deformación debida principalmente al ancho espectral de la señal óptica emitida por el emisor de luz. Este fenómeno se llama la dispersión cromática y es en realidad la combinación de la dispersión material y de la dispersión de guía de onda. La dispersión cromática total se calcula a partir de los parámetros Md (coeficiente de dispersión cromática) expresado en pS/Km*nm, W (ancho espectral de la fuente de luz) y por la distancia.

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Por lo tanto, un pulso de luz de ancho espectral W propagándose sobre L kilómetros experimenta un ensanchamiento de: Md . W . L pico-segundos. Md depende del tipo de fibra usada y del valor de la longitud de onda (nm) de la fuente óptica.

En fibras estándar se tiene que la dispersión cromática es mínima alrededor de los 1,3 um, por lo cual los sistemas funcionando en esta ventana óptica tienen un Md generalmente muy bajo, del orden de uno a tres ps / Km*nm En fibras estándar, si se usa una fuente de luz en la tercera ventana óptica (1,55um), el coeficiente Md es mucho mayor, típicamente entre 17 y 20 ps / Km*nm.

Usualmente W está definido como el ancho a -3 dB (FWHM : Full Width Half  Magnitude) del espectro de potencia de emisión de la fuente de luz. El valor de W, ancho espectral de fuente, esta dado por el fabricante. Los diodos LED tienen valores W bastante altos (30 nm o más). Los diodos Láser (LD) al contrario tienen anchos W más bajos. Un diodo Láser multimodo (Fabry-Perot) presenta típicamente un ancho de 1 a 4 nm. Un diodo Láser DFB por ejemplo, puede dar un W muy por debajo de los nm y permite minimizar mucho el efecto de la dispersión cromática.

Fabricación de la fibra óptica. Existen varios métodos para fabricar la fibra óptica, sin embargo, todos derivan a la construción de la llamada preforma, que es una varilla o tubo de aproximadamente 1 mt. de largo de cuarzo de alta pureza. El método de la preforma, puede separarse en dos pasos: la formación de la preforma y el estirado de la misma. La formación de la preforma, se realiza mediante procesos químicos que consisten en realizar la deposición del vidrio en diferentes capas, cuya densidad es controlada en el proceso, con lo cual se logra controlar el índice de refracción en cada capa (del núcleo y de la envoltura). Para la formación de la preforma, existen cuatro métodos básicos: OVD (Outside vapor deposition); VAD (Vapor axial deposition); MCVD (Modified chemical vapor deposition y PCVD (plasma-activated chemical vapor deposition). La figura 14 presenta el método interno llamado M.C.V.D. ( Modified Chemical Vapor Deposition).

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Figura 14 Construcción de la preforma en el método M.C.V.D. y obtención de la fibra óptica a partir de la preforma.

Luego que la preforma está terminada, debe ser estirada para llevarse a las dimensiones normales de la fibra óptica, por ejemplo, se pueden estirar hasta 10 km. de fibra de 125 um. El estiramiento de la preforma se realiza en hornos especiales y controlando el diámetro de la fibra. Posteriormente, la fibra se cubre con una capa de silicona que la protege de la humedad, la cual causaría una oxidación de la superficie de la fibra, ya que como se sabe, la fibra posee algunas impurezas metálicas, que sirven para controlar el valor del índice de refracción en cada capa, tanto del núcleo como de la envoltura o manto. Una vez concluido este proceso, la fibra se recoge en bobinas o carretes. En muchos casos, en este instante se realiza una prueba de tensión al hilo de fibra. Normalmente la fibra óptica recién fabricada, tiene una resistencia a la tracción superior a la del acero, pero esta característica se degrada rápidamente al estar expuesta al aire y a la humedad. Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Parámetros geométricos de las fibras ópticas La ex-CCITT ha definido los parámetros geométricos y tolerancias que deberán cumplir las fibras ópticas, con el objetivo de garantizar compatibilidad en los productos ofrecidos por diferentes fabricantes. La definición de parámetros se observa en la figura 15, mientras en la figura 16, se muestra el llamado Campo de tolerancia de 4 círculos que define los valores máximos y mínimos para el núcleo y envoltura.

dmax + dmin Diámetro del núcleo: d =

Do

2

do

Dmax + Dmin Diámetro del revestimiento: D = 2

Dimensiones ideales

dmax - dmin No circularidad del núcleo: e =

* 100 do

x

dmin No circularidad de la envoltura

Dmax - Dmin : R=

dmax

* 100 Do

x * 100 d Excentricidad: E =

Dmax Figura 15 Definición de parámetros geométricos de una fibra óptica Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Dco - ∆ Dco

Dcl - ∆ Dcl

Dcl + ∆

Dco

Dcl

: Diámetro nominal del núcleo

∆ Dco : Tolerancia del círculo relativo al núcleo = 4 um Dcl

: Diámetro nominal de la envoltura

∆ Dcl : Tolerancia del círculo relativo a la envoltura = 5 um Figura 16 Definición de los campos de tolerancia de los 4 círculos.

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Recomendaciones del ex-CCITT para fibras ópticas

CCITT G.651 Fibras ópticas multimodo para 850 o 1300 nm Apertura numérica AN=0.18 a 0.24 (tolerancia 10%) Perfil del índice de refracción parabólico Diámetro del núcleo 50 um (tolerancia 3 um) Diámetro del revestimiento 125 um (tolerancia 3 um) Error de concentricidad 6% Error de circularidad del núcleo Error de circularidad del revestimiento 2% Atenuación de 2 a 4 dB/Km en 850 nm Atenuación de 0.5 a 2 dB/Km en 1300 nm Ancho de banda de 200 a 1000 Mhz en 850 nm Ancho de banda de 200 a 2000 Mhz en 1300 nm

CCITT G.652 Fibras ópticas monomodo optimizada para 1300nm Longitud de onda corte 1,18 a 1,27 um Diámetro del campo modal 9 a 10 um (tolerancia 10% ) Diámetro del revestimiento 125 um (tolerancia 3 um) Error de circularidad del revestimiento 2% Error de concentricidad del campo modal 1 um Atenuación de 0,4 a 1 dB/Km en 1300 nm Atenuación de 0,25 a 0,5 dB/Km en 1550 nm Dispersión cromática 1285-1330 nm de 3,5 ps/Km nm Dispersión cromática 1270-1340 nm de 6 ps/Km nm Dispersión cromática en 1550 nm de 20 ps/Km/nm

CCITT G 653 Fibras ópticas monomodo dispersión desplazada a 1550 nm Diámetro del campo modal 7 a 8,3 um (tolerancia 10%) Diámetro del revestimiento 125 um (tolerancia 3 um) Error de circularidad del revestimiento 2% Error de concentricidad del campo modal 1 um Atenuación inferior a 0,25 a 0,5 dB/Km en 1550 nm Atenuación inferior a 1 dB/Km en 850 nm Dispersión cromática 3.5 ps/Km/nm en 1525-1575 nm Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Fuentes, detectores y amplificadores ópticos

Fuentes ópticas Las dos fuentes de luz de interés para telecomunicaciones ópticas son el LED (Light emiting diode) y el LD (Laser diode), debido a velocidad de conmutación, diagrama de radiación y facilidad de modulación.

Diodo emisor de luz LED Los diodos electroluminiscentes LED, son de modo general, una unión p-n polarizada directamente en que electrones y huecos inyectados en la región p y n del diodo se recombinan radiactivamente, emitiendo luz. Estas recombinaciones son hechas a través de emisión de fotones, cuya energía es aproximadamente igual a la de la banda prohibida E g ≅ h ν En este caso la luz depende de la recombinación espontánea de pares electrón-hueco en la región p-n lo que implica una superposición de un número finito de ondas desfasadas entre sí, lo que constituye una luz incoherente.

Figura 17 Operación básica de un emisor de luz tipo LED Los LED de interés para fibra óptica son diseñados para alta radiación, alta capacidad de modulación, de dimensiones compatibles con las fibras ópticas y de muy alta eficiencia para las densidades de corrientes requeridas para obtener el nivel de potencia necesario.

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LED de borde (edge) El LED con emisión lateral utiliza luz emitida en el plano de la unión, aumentada por el efecto de guía de la estructura de doble heterojuntura. El perfil de una doble heterojuntura (geometría de cinta) se ilustra en la figura 18, donde la emisión es desde el lado de la estructura.

Figura 18 LED tipo "edge" de doble heterojuntura

El LED tipo "edge" emite una diagrama más direccional y su estructura de capas es similar a los LED comunes (planares), pero el área de emisión es una cinta más que un confinamiento de área circular. La luz emitida es tomada desde el borde de la cinta activa y forma un haz elíptico como el que muestra la figura 19. En este dispositivo, el área de la fuente es generalmente más pequeña que el área de la fibra, y así la luz es acoplada más eficientemente que con otras fuentes.

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Figura 19 Diagrama de Emisión de un LED de borde

Propiedades espectrales de los LED El ancho espectral de emisión de los LED es en general del orden de 30-50 nm para la región 800-900 nm y de 70-110 para la segunda región de 1000-1700 nm. Esta característica natural de la recombinación espontánea quiere decir que la emisión de los LED no es monocromática (una longitud de onda) sino que ellos emiten distintas longitudes de ondas que se encuentran cerca de su longitud de onda peak. El ancho espectral de la emisión de los diodos debería ser tan angosto como sea posible en vista a minimizar la dispersión en las fibras ópticas.

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Figura 20 Ancho espectral de un LED comparado con el de un laser

Función de transferencia La función de transferencia luz-corriente representativa de un LED típico, se muestra en la figura 21. Se observa que para una gama de corrientes comprendida desde algunos miliamperes hasta aproximadamente 150 mA, dependiendo del tipo de LED utilizado, dicha función de transferencia es aproximadamente lineal. Más allá de esta gama de corrientes se produce un fenómeno de saturación del rendimiento cuántico de emisión (relación entre el número de fotones emitidos y el número de electrones inyectados en la unión PN). En la misma figura 21, se observa que podemos modular al LED superponiendo la señal moduladora a la corriente de polarización (modulación directa).

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Figura 21 Función de transferencia de un LED típico

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Diodo láser (LD) En la recombinación radiactiva, donde el electrón en un nivel de energía superior decae a un nivel de energía menor, sin influencias externas, es llamada de recombinación espontánea. Cuando los fotones poseen una energía mayor que la banda prohibida Eg, interactuan con los electrones, pueden hacer que liberen energía, pasando de un nivel superior a un nivel inferior, ocurriendo la llamada emisión estimulada. En esta última, los nuevos fotones producidos poseen la misma fase, energía y dirección de propagación que los fotones originales, lo que corresponde a una ganancia óptica. Para que exista la acción "Lasing" (emisión de luz coherente y direccionada) del láser, es indispensable crear una inversión de población (recombinación) y realimentar parte de la radiación. La realimentación es lograda por un par de espejos perpendiculares a la juntura p-n formando una cavidad resonante. Los espejos son formados en los lados laterales del cristal semiconductor, permitiendo, así, la realimentación de la emisión estimulada.

Diagrama de radiación Las propiedades de emisión de un láser están dadas en función de las características y cantidad de los modos de radiación que este posea ya sean transvesal, laterales o longitudinales. El láser opera con un único modo tranversal (es decir perpendicular al plano de la  juntura) lo cual se logra haciendo su región activa muy delgada, pero debido a lo angosto de la región activa, la emisión del modo transversal fundamental se hace, con una divergencia del orden de 30-45°. (Figura 22).

Figura 22 Diagrama de radiación de un láser Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Propiedades espectrales de un laser El espectro del diodo láser es mucho más angosto que el de los LED: alrededor de 0,1 a 2 nm; como se dijo, un angosto espectro es ventajoso para sistemas de alta velocidad de bit. El espectro del diodo láser está compuesto de un set de longitud de ondas y modos espaciados, por ejemplo, 0,25 a 0,30 nm; diez o más modos, cada uno con potencia importante. (Figura 23.).

Figura 23 Respuesta espectral de un láser

Función de transferencia En los láser existen dos regiones de funcionamiento: en la primera, por abajo de la corriente umbral de lasing el dispositivo funciona como un LED; en la segunda, por sobre la corriente umbral de lasing, el dispositivo emite una luz coherente, característica del láser. La alta eficiencia cuántica (50%), el pequeño tiempo de respuesta (tr < 1n seg) la direccionalidad de emisión y el estrecho espectro de luz, son alcanzados sólo en la segunda región de operación.

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Figura 23 Función de transferencia de un láser.

Corriente umbral Ith .

La corriente umbral I th aumenta no linealmente con la temperatura T y sigue la relación: T − T  A

I th = I A e

donde

T 0

IA : corriente umbral a una temperatura ambiente T A en °K.

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TA : temperatura ambiente en °K. TO : es una constante del dispositivo, llamada temperatura característica.

Por ejemplo, si una temperatura de 7°C sube sobre 20°C le causaría el dispositivo caer fuera de la región lasing, reduciéndose la potencia óptica de 2m watt a 0,4 m watt. Un método común para estabilizar la potencia de salida, es mostrar una porción de la luz emitida y controlar la corriente de excitación con realimentación negativa.

Fotodetectores ópticos Los detectores de interés en sistemas de comunicación por fibras ópticas son los fotodiodos que se encuentran en la categoría de foto detectores de juntura. La elección de los fotodiodos dentro de esta gran cantidad de detectores está estrictamente relacionada con: Eficiencia de conversión (fotón-electrón), rapidez de conversión, respuesta espectral de funcionamiento, dimensiones del dispositivo, fiabilidad, independencia de la temperatura de operación, requerimientos de fuentes de energía, etc.

El fotodiodo más sencillo, es un diodo de unión P-N formado por un semiconductor, cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y de conducción es inferior a la energía fotónica de la señal que ha de detectarse.

Los fotones absorbidos por el dispositivo, crean pares de electrón-hueco que derivan en direcciones opuestas en el campo de la región de depleción bajo la influencia de una polarización inversa, induciendo una fotocorriente Ip en el circuito externo, cuyo valor viene dado por:

 I  p =

η q p0 hν 

Donde: Ip : Fotocorriente, P0 : Potencia óptica incidente. q : Carga del electrón (1,6 10 Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

-19

Coulomb) 75

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h ν : Energía fotónica.

η : Eficiencia cuántica del detector.

La generación de los portadores de carga por absorción de fotones, es un fenómeno aleatorio caracterizado por una eficiencia cuántica “ η” que se define como el número de electrones generados por cada fotón incidente.

Hay básicamente dos tipos de fotodiodos. El primero, comúnmente llamado fotodiodo PIN, el cual genera un simple par de electrón-hueco por fotón incidente. El segundo tipo llamado fotodiodo de avalancha APD, el cual exhibe una ganancia interna, generando más que un simple par de electrón-hueco a través de proceso de ionización por impacto. El proceso de ganancia es llamado ganancia por avalancha.

Figura 24 Representación esquemática de un fotodiodo p-i-n y su circuito equivalente.

Ambos detectores PIN y APD se usan en sistemas de comunicación por fibras ópticas. El APD es normalmente usado donde es requerida su alta sensibilidad.

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Los receptores que utilizan fotodetectores APD pueden llegar a ser orden de 15 dB más sensibles que los p-i-n, sin embargo el fotodetector p-i-n es también ampliamente usado donde los requerimientos de sensibilidad no son tan exigentes.

Se aplica normalmente al dispositivo una tensión de polarización inversa para vaciar totalmente la región y producir un campo eléctrico suficientemente alto para que los portadores se muevan a gran velocidad, reduciendo así al mínimo el tiempo de respuesta

Cuando no incide luz en el fotodiodo, estando este en condiciones de operación, sigue habiendo una corriente de fuga llamada corriente de oscuridad cuyo ruido de granalla es algunas veces la fuente de ruido dominante. La característica de corriente Vs tensión de polarización inversa para un fotodiodo Pin se representa en la figura 25.

Figura 25 Características V-I para fotodiodo

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Sensibilidad

La sensibilidad "S" de un fotodiodo es la relación entre la corriente media emitida y la potencia óptica media incidente y está dada por la siguiente relación:

S=

qη hν 

≈ 0,805 η λ ( µ m) [ Amp / Watt ] 

Donde: q : Carga del electrón. h : Constante de Planck.

 ν : Frecuencia de la radiación emitida por el LED o Láser. h ν : Energía del fotón incidente.

En forma práctica, la sensibilidad se define como la mínima potencia óptica incidente en el fotodiodo para conseguir una determinada calidad (BER o S/N) para una capacidad dada del enlace velocidad de bits o en ancho de banda y se mide en dBm.

Corriente de oscuridad (I DARK)

Es la corriente que fluye a través del detector en ausencia de potencia óptica incidente. La corriente de oscuridad en fotodetectores en general, y particularmente para APD, adiciona ruido al receptor y debe ser mantenida lo más baja posible.

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Amplificadores ópticos

Los amplificadores ópticos son utilizados en sistemas de transmisión por fibra óptica para mejorar la ganancia de los enlaces, permitiendo así una mayor distancia entre repetidoras en redes punto a punto o aumentar el factor de compartimento de un diodo láser en los sistemas de distribución. Se distinguen tres tipos diferentes de amplificador óptico, según se localice en la red. Ver figura 26.

Figura 26 Diferentes posiciones y funciones de un amplificador óptico

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Los amplificadores de potencia de salida o post-amplificadores aumentan la potencia óptica acoplada a la fibra en el lado del transmisor, los pre-amplificadores mejoran la sensibilidad de los receptores ópticos y los amplificadores en la línea compensan las pérdidas de la fibra. .

Amplificadores basados en fibra dopada con erbio (EDFA) La figura 27 muestra la configuración básica de un amplificador de fibra dopada con Erbio. El corazón de un amplificador óptico es una fibra cuyo centro fue dopado con iones de una tierra rara: Erbio. Las señales de entrada a una longitud de onda de 1550 nm, son amplificadas debido a la emisión estimulada en la fibra dopada con Erbio.

Figura 27 Esquema básico de un amplificador de fibra dopada con ER

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Los iones de Erbio son el elemento óptico activo, estimulado por una luz a menor longitud de onda, la potencia óptica de bombeo se combina en el interior del núcleo de la fibra mediante un acoplador dicroico de muy baja pérdidas, el multiplexor de longitud de onda (WDM).

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Amplificación óptica Entre las bandas de absorción del ion de Erbio disponibles existen dos longitudes de onda donde el consumo de potencia es bajo con respecto a la ganancia obtenida, 980 y 1480 nm,. Esta apreciación se basa en la viabilidad del diodo láser de bombeo y en el comportamiento de amplificación. La figura 28 muestra la ganancia de una pequeña señal a 1550 nm en función de la potencia de bombeo acoplada a 1480 y 980 nm. Para obtener esta altas eficiencias de ganancia, las fibras dopadas de erbio específicas tienen un diámetro del campo modal pequeño (4um) comparado con la de una fibra de telecomunicaciones monomodo estándar (11 um).

Figura 28 Ganancia de un amplificador óptico en función de la potencia de bombeo

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Diseño de enlaces por fibra óptica

Básicamente hay dos balances que se deben realizar en un diseño con fibra óptica. - Balance de potencias y pérdidas. (Límite por atenuación) - Balance de velocidad y dispersión. (Límite por dispersión)

Balance de potencias y pérdidas (Límite por atenuación)

Potencia mínima : Para que la detección tenga una tasa de error BER (bit error rate) nominal, un receptor en un sistema óptico digital requiere una potencia mínima (en dBm) llamada sensibilidad del receptor. Lógicamente, un enlace a alta velocidad requiere una potencia mayor en recepción que uno a tasa de bit moderada.

Potencia máxima en recepción Aparte de las condición de potencia mínima, es necesario asegurarse de que la potencia recibida no sobrepase la potencia máxima que puede soportar el equipo receptor.

Márgenes del sistema. En el diseño del enlace es preciso incluir los márgenes de funcionamiento siguientes : - Margen de cable óptico . - Margen de equipos. - Margen de seguridad. Los márgenes de cable se refieren a : - Las reparaciones, las cuales pueden hacer aumentar el número de empalmes.. - Las modificaciones futuras que pudieran aumentar el numero de conectores y empalmes en el enlace. - Las variaciones de las características de la fibra óptica debidas a cambios ambientales. - Las degradaciones en los conectores. Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones

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Los márgenes de equipos incluyen : - La degradación de la potencia inyectada, debida al envejecimiento de la fuente de luz (diodo Láser ó Led ) y a variaciones de características con la temperatura. - La modificación de la sensibilidad del receptor, debida también a cambios en las características de los elementos de recepción optoelectrónica. El margen total Mr es la suma de todas estos valores.

Penalidades. Para el balance de potencia, se debe incluir las márgenes de funcionamiento y penalidades de reflexión y de dispersión.

La penalidad por reflexión toma en cuenta la perdida debida a la reflexión en el interfaz fibra-diodo de recepción.

La penalidad de dispersión considera la degradación en sensibilidad de recepción debida a la deformación de los pulsos por dispersión.

Balance de potencia y pérdidas Incluyendo el margen global Mr y la penalidad total Pn, el balance de potencia y pérdidas toma la forma de la condición siguiente :

Prmin < Pt - Nc*Ac - Ne*Ae – Af*L - Mr - Pn

Pt Prmin Mr Pn Af L Ac

: Potencia emisión. : Sensibilidad de receptor (potencia mínima requerida). : margen total. : penalidad global. : atenuación en dB / Km en la fibra. : largo de enlace. : pérdida por conector

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Nc Ae Ne Lc

: numero de conectores. : perdida por empalme. : numero de empalmes. : largo de carrete.

En los cálculos de condición de potencia, se debe considerar el peor caso, o sea, usar la atenuación kilométrica Af máxima tal como indicada por el fabricante.

En caso de que el largo L del enlace esté fijado, basta averiguar que la relación precedente se cumple. Solo se debe determinar previamente el número de empalmes. Para simplificar se puede usar la relación siguiente : Ne = L / Lc - 1 ó redondeando para simplificar : Ne = L / Lc .

Balance de velocidad y dispersión (Límite por dispersión)

Fibras monomodo. En general, la idea es limitar el ensanchamiento de pulso a una fracción del periodo de tiempo correspondiendo a la recepción de un bit. Este tiempo elemental es igual al inverso de la tasa de bit : 1 / R. De esta manera se llega típicamente a una condición del tipo siguiente : Md. W . L . R < Coef  Coef es un valor entre 0 y 1 . En muchos casos, se usa como valor estándar : 0,5 (50%)

Fibras multimodo

Hemos considerado hasta ahora únicamente fibras monomodo y hemos supuesto que los transmisores y receptores ópticos no generan ningún ensanchamiento de pulso, o sea, que no presentan ninguna limitación en cuanto al ancho de banda.

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Dispersión modal : Se caracteriza una fibra multimodo por un coeficiente B0 que representa la banda óptica de la fibra por un enlace de 1 Km. Considerando el caso de dispersión modal más pesimista, la banda para un enlace de L Km sería :

BW = B0 / L

De esta banda BW se puede deducir que el ensanchamiento Tm (FWHM) vale :

Tm = 0.44 . L / B0

donde B0 L Tm

en Ghz. Km en Km en ns.

Nota : En el mejor de los casos, con fibras multimodo de índice gradual, B0 es del orden de algunos Ghz.Km.

Análisis de ancho de banda

Una de las características más importantes de los sistemas con fibras es el ancho de banda, por lo que es indispensable asegurar que todos los componentes tengan suficiente ancho de banda para trasmitir la señal requerida de acuerdo a las exigencias del sistema.

Las redes de áreas locales típicas requieren fibras con ancho de banda de 20 a 600 MHz-km. Los sistemas telefónicos con distancias grandes entre repetidores requieren anchos de banda de más de 1000 MHz, los cuales se asocian con las fibras de tipo monomodo.

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En cualquier sistema, el componente que presente menor ancho de banda es el que limita al sistema. En el caso donde se utilizan fibras ópticas, el ancho de banda del sistema es limitado por el equipo terminal, ya que la fibra tiene una respuesta de frecuencia bastante mayor.

Ejemplos de diseño de enlaces.

Ejemplo N°1 Consideramos el primer sistema a 140 Mbit/s. En este enlace el largo es de 58 Km y los márgenes y penalidades consideradas son las siguientes :

Atenuación (incluyendo empalmes) : Perdida total de conectores (máxima) Margen de reparación Penalidad de dispersión

0,475 dB / Km 1.4 dB 3.0 dB 1.0 dB

La atenuación de fibra más empalmes es : 58 x 0.475 = 27.6 dB.

• Estimación optimista de potencia de recepción : La potencia recibida es : - 2 - 27.6 - 1.4 = - 31 dBm. Como está inferior a la potencia máxima admisible (- 12 dBm) , se puede seguir porque no hay riesgo de dañar el receptor con demasiado potencia.

• Estimación pesimista de potencia de recepción : Restando al valor obtenido (-31 dBm) las perdidas, márgenes y penalidades, se obtiene una potencia de : - 31 - 3 - 1 = - 35 dBm.

Como la sensibilidad del receptor vale también - 35 dBm, se deduce que el sistema está al limite de funcionamiento en cuanto a la condición de potencia en recepción.

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• Condición de dispersión para el enlace : El ensanchamiento de dispersión vale : 3.5 x 9 x 58.1 = 1.8 ns. El periodo de bit vale : 1 / 167.117 Mbit/s = 6 ns. El ensanchamiento representa entonces 30 % del periodo de bit. La formula presentada anteriormente considera que el ensanchamiento puede llegar a 50 % del periodo bit sin riesgo para la recepción digital.

Por ende se puede decir aquí que la dispersión no limita aquí el sistema.

Nota : Si en vez de un coeficiente de dispersión de 3.5 ps / nm.Km tuviéramos un valor de 6 ps /  nm.Km, el ensanchamiento a considerar sería igual en este caso a : 3.1 ns por la misma distancia de 58 Km y el mismo ancho espectral de 9 nm.

En tal caso , la condición de dispersión sería apenas cumplida, con un valor ‘coef’ entre el ensanchamiento y el periodo de : 52 %. El sistema sería limitado por la dispersión cromática a algo ligeramente menor que los 58 Km.

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Ejemplo N° 2. Consideramos el enlace con las características siguientes : Velocidad de transmisión : 2.488 Gbit/s. No se usa ningún código en línea. Fuente de luz : Diodo láser (LD) a 1550 nm. Atenuación kilométrica de la fibra < .23 dB / Km (sin incluir los empalmes). Largo de carrete : 4 Km. Perdida por empalme < .1 dB. Perdida total de conectores en el enlace : 2 dB. Potencia acoplada en la fibra : 0 dBm. Margen global : 3 dB Penalidad considerada : 1 dB. Sensibilidad de receptor : - 30 dBm. Tipo de fibra : estándar. Ancho espectral de Láser : 1 nm. Coeficiente de dispersión : 20 ps / nm.Km ( a 1500 nm con la FO estándar ).

• Calculo de largo máximo de enlace con condición de potencia : [ Pt - perdida conectores - margen - penalidad ] - Sensibilidad = 24 dB.

Largo máximo de tramo = 24 / [ 0.23 + 0.1 / 4 ] = 94 Km.

El valor del denominador (0.255 dB/Km) es nada más que la atenuación global en dB por kilometro del conjunto ‘fibra + empalme’.

Este valor 94 Km viene de la sola condición de potencia de recepción y no toma en cuenta los problemas de distorsión de propagación por dispersión en la fibra.

• Calculo de distorsión para distancia máxima :

Ensanchamiento para un tramo de 94 Km = 20 x 1 x 94 = 1.9 ns

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