Modulo 2 Fibra Optica 1 - InICTEL

Curso 2 Introducción a los Sistemas de Fibra Óptica

Programa Especialista en Comunicaciones Opticas Objetivo General Definir conceptos básicos de comunicaciones ópticas. Realizar

empalmes,

conectorización,

pruebas,

mediciones e instalación de cables de fibra óptica. Aplicar los conocimientos para realizar diseños e instalaciones de fibra óptica.

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Modulo II Instalador de Fibra Optica Objetivo del Modulo Dar a conocer las técnicas de terminación de fibra óptica mediante la conectorización y empalmes. Realizar experiencias de Laboratorio sobre los procedimientos para la conectorización de cables de fibra óptica. Realizar experiencias de Laboratorio sobre los procedimientos para la ejecución de empalmes mecánicos y por fusión. Dar a conocer las técnicas para el acondicionamiento del cable de fibra óptica en los Gabinetes de Terminación Óptica y realizar experiencias de laboratorio. Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Temario Conectorización o Tipos de Conectores, consideraciones Mecánicas y Ambientales o Especificaciones y Performance, pérdidas de Conectores o Cables Preconectorizados Empalme Mecánico y por Fusión o Empalme Mecánico y empalme por Fusión o Especificaciones y Performance Gabinetes y paneles Ópticos o Gabinetes o Unidades de Distribución, Tipos, Bandejas de Empalme o Tipos de Aplicación y Criterios de Selección. o Cajas de Empalme: Aéreo, Subterráneo o Acondicionamiento, enrutamiento y Preparación de Cables

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Temario Instalación o Planificación y Estándares o Métodos para LAN, Campus y de Planta Externa o Técnicas para Tendido Aéreo y Subterráneo o Herramientas de Instalación y Equipos Mantenimiento o Herramientas y Equipos o Aplicaciones, Identificación y Documentación LABORATORIO: o Componentes de Terminación o Conectorizacion ST, SC, LC o Empalme Mecánico y empalme por Fusión o Tendido de Cables, acondicionamiento en Gabinete Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

1. Resumen Conceptos de FO 2. Empalmes 3. Conectorizacion 4. Gabinetes y Paneles Opticos 5. Instalacion 6. Mantenimiento

¿Que es la Fibra Óptica? Fibra Óptica se refiere al medio y la tecnología asociada con la transmisión de la información a través de impulsos de luz a lo largo de una fibra de vidrio o de plástico. La fibra óptica es una Guía de Ondas que transporta mucho mas información que los pares de cobre y son menos susceptibles a las interferencias electromagnéticas. La mayoría de las compañías telefónicas de Larga Distancia transportan su información a través de cables de fibra óptica. Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

¿Que es la Fibra Óptica? Es una de las tecnologías más avanzadas y empleadas Se estima que para el 2014 tendremos 2 billones de Km de FO instalados en el mundo (13,000 veces distancia al sol). Gran capacidad de transporte (hasta 200 láseres de distinta longitud de onda en una misma fibra) Reducido tamaño, compacto y ligero (Serían necesarios 2 Ton. de alambre de cobre para transmitir o 0.5 Kg de FO Alta confiabilidad, inmune a ruidos RFI o EMI. Baja atenuación y respuesta plana (280 Km. sin repetidor). Introd.Bajos a los Sistemas Fibra su Óptica costosdepues materia

prima es el síliceIng. Jaime Rupaylla A.

Sistema de Transmisión Óptica La transmisión óptica se compone de un transmisor que transforma las ondas electromagnéticas con la información deseada en energía luminosa, esta energía se transmite a través de las fibras ópticas hasta el lugar de destino en donde un detector óptico convierte la señal luminosa en energía electromagnética, lo más similar posible a la señal original; en este punto se extrae la información que se transmitió.

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Estructura de la Fibra Óptica La FO está compuesta por tres cilindros concéntricos flexibles llamados núcleo (core), revestimiento (cladding) y primera cubierta protectora (jacket o buffer) con diferente índice de refracción, el mismo que mediante una reflexión interna permite que la luz sea guiada por el núcleo.

1er recubrimiento´protector (coating) Nucleo de vidrio (core)

Introd. a los

Cubierta de vidrio Sistemas de(cladding) Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Estructura de la Fibra Óptica Núcleo (Core): sección interna de material de vidrio con ciertas impurezas y dopantes o plástico las cuales determinan sus características, es la zona de propagación de la luz Revestimiento o Envoltura (Cladding): recubre a cada una de las fibras del núcleo y posee propiedades ópticas diferentes Cubierta protectora o chaqueta (Coating y/o buffer): Material de plástico que recubre a una o más fibras revestidas, las protege contra corrosión, humedad, etc. 1er recubrimiento´protector (coating) Nucleo de vidrio (core)

Introd. a los

Cubierta de vidrio Sistemas de(cladding) Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Estructura de la Fibra Óptica Para conseguir “Reflexión Interna Total” de la luz en una fibra óptica, debe cumplirse: o El núcleo y el revestimiento deben de ser ópticamente diferentes (índices de refracción del núcleo entre 0.1 – 1 % mayor que el índice de refracción del revestimiento). o La “luz” debe ingresar en la fibra con un ángulo mayor al ángulo crítico (apertura numérica).

θ > θ θ

θ

θ

> Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Apertura Numérica La cantidad del potencia óptica luminosa que puede ser aplicada al núcleo de la fibra depende de la habilidad de reunir (acaparar) luz de la fibra y esta contenida en un cono La Apertura Numérica (NA) o cono de aceptancia define el ángulo máximo de la luz que será transmitida por la fibra; su arista forma con el eje de la fibra un angulo que da lugar a la reflexion total en la interfaz nucleo/revestimiento Cuanto mayor es la AN, mayor es la capacidad de la FO para captar energía lumínica emitida por la fuente n1 θa n2 Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Cono de Aceptación

Ing. Jaime Rupaylla A.

Transmisión de la luz por la Fibra Corte Longitudinal Rayo de luz ingresa al núcleo desde el aire

La luz es propagada por reflexión interna total Angulo de incidencia

Angulo de reflexión

Cladding (n2 ) Núcleo (n1 )

Eje cilíndrico del núcleo

buffer Rayos de luz menores que el ángulo critico son absorbidos por el revestimiento Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

n1 – índice de refracción del núcleo n2 – índice de refracción del revestecimiento Ing. Jaime Rupaylla A.

Apertura Numérica =

sin

=

−

n0 = Índice de refracción del aire.

=

2 ∆

n1 = Índice de refracción del núcleo. n2 = Índice de refracción del cladding.

∆=

− 2

∆ = Diferencia relativa de índices de refracción.

α Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

= Angulo de aceptancia Ing. Jaime Rupaylla A.

Clasificación de la Fibra Óptica Por el material dieléctrico o Fibra óptica de silicio o Fibra óptica de vidrio multicompuesto o Fibra óptica plástica Por el modo de propagación o Fibra óptica Multimodo (MM) o Fibra óptica Monomodo (SM) Por la distribución o perfil del índice de refracción o Fibra de índice escalonado o salto de índice (SI = Step Index) o Fibra óptica de índice gradual (GI = Graded Index) Fibras Especiales o Fibras de Polarización mantenida o Fibras de Dispersión Desplazada/plana Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Perfil del Indice de Refracción Se denomina perfil de refracción de una fibra óptica a la variación radial que tiene el índice de refracción en el nucleo n(r) conforme nos movemos en la sección transversal de la fibra desde el eje hasta el revestimiento (a lo largo del diámetro) en funcion del coeficiente que determina su perfil: g G es un parametro de diseño (varia entre 1 y ∞), define la forma del perfil del indice de refraccion del nucleo

A

0

Introd. a los

B

Perfil del índice por pasos Multimodo de índice escalón

Perfil del índice graduado (cuadrático) Multimodo de índice gradual Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Fibra Multimodo Un modo es una solución de las ecuaciones de Maxwell y transporta una cantidad discreta de energía, se asocia a rayo luminoso La señal es capaz de viajar en varias rutas (llamadas modos) las mismas reciben la luz a diferentes ángulos.. Empalmes fáciles y acoplaciones a las fuentes de luz, mas baratas Aplicaciones locales y menores anchos de Banda. Velocidad de Tx limitada (100 Mbps, 40 Km); mayor BW cuando menor es el número de modos que se transmiten

D1 = 50 um

n2 D2 n1 n2 Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

D1

D2 = 125 um Ing. Jaime Rupaylla A.

FO Multimodo Existen dos tipos de fibra Multimodo distinguidos por el perfil del índice que poseen y por la manera como la luz viaja a través de ella o La fibra multimodo de índice escalón, también llamada de Salto de Índice de Refracción o La fibra multimodo de índice gradual Nucleo (um)

Revestimiento (um) Escalón

200

250 - 380 Gradual

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

50 (Japón, Europa)

125

62.5 (America)

125

85

Ing. Jaime125 Rupaylla A.

Fibras de Índice Escalonado La fibra de Índice Escalonado tiene un núcleo de un solo tipo de vidrio con un índice de reflexión constante y un límite de transición bien definido entre el núcleo y la cubierta. En este caso todos los modos se propagan a la misma velocidad pero sobre trayectos de distancias diferentes, la dispersión modal puede ser critica en grandes distancias. n1

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Diámetro

n2

n

Ing. Jaime Rupaylla A.

FO Multimodo de Índice Gradual La fibra de Índice Gradual tiene un núcleo con un índice de refracción de forma parabólica (o casi parabólica) y un límite de transición núcleo-cladding que no está bien definido. Los modos que se desplazan cerca del centro del núcleo ven un índice refractivo más alto y se propagan más despacio que los modos que se desplazan cerca del cladding (a diferente velocidad). Esto reduce o elimina la dispersión modal. n1

n Diámetro

n2

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Modos de Propagación de la FO El numero N de modos que se propagan por una fibra es funcion de la frecuencia normalizada y del exponente del perfil del indice del nucleo g

1 = 2

=

2

! !+2

g = Exponente del perfil. a = Radio del núcleo de la fibra N = numero de modos.

Índice Escalón

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

=

4

Índice Gradual

> 2.405

FO Multimodo

≤ 2.405

FO Monomodo TE11

Ing. Jaime Rupaylla A.

Fibra Monomodo Es la fibra que por su diseño es capaz de guiar un solo rayo de luz (modo), se reduce el tamaño del núcleo causando emisión de la luz en un solo modo, el del rayo axial (longitudinal). Elimina el retardo por trayectorias diferentes. Transmisiones de alta velocidad (40 GHz, 200 Km sin repetidores); BW superior a la fibra multimodo. Ventana de trabajo: 1310 nm, 1550 nm, 1625 nm. Requieren cuidados y experiencia para los empalmes y acoplación a las fuentes, son mas caras n2 n1 n2 Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Nucleo (um) 8 -10 Revestimiento (um) 125 Ing. Jaime Rupaylla A.

Tipos Fibras CCITT Modo

Índice

Diferencia Indices de Refraccion ∆

Monomodo

Salto

0.3%

10

125

0.3

0.08

> 1000

Multimodo

Gradual

1%

50

125

4 (850 nm)

0.2

600

Multimodo

Salto

1%

100

200

Multimodo

Gradual

1%

85

125

Multimodo

Gradual

1%

62.5

125

4 (850 nm)

0.2

160

Multimodo

Salto

1%

100

140

5 (850 nm)

0.2

100

Dext núcleo (um)

Dint revest (um)

Atenuación (dB/Km)

Apertura Numérica

BW (MHzKm)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Fibras Monomodo y Multimodo La fibra Multimodo tiene un núcleo más grande y permite que varios modos se propaguen mientras el monomodo solo permite la propagación de un modo (el primer modo o modo fundamental). n1

n Diámetro

Fibra Multimodo n2 n1

n Diámetro

Fibra Mono-Modo Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

n2 Ing. Jaime Rupaylla A.

Parámetros Característicos de la FO Los parámetros que determinan las características de transmisión y propagación de los modos a través de una fibra óptica son: PARAMETROS ESTATICOS, constantes a lo largo de la FO. o

Geométricos

o

Ópticos

PARAMETROS DINAMICOS, afectan la transmisión de la señal. o

Atenuación

o

Dispersión Temporal

PARAMETROS DE TRANSMISION Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Parámetros Estáticos de la FO GEOMETRICOS Son función de la tecnología usada en la fabricación de las fibras; diámetro del núcleo y revestimiento, excentricidad, no circularidad. OPTICOS Apertura Numérica Índice de Refracción y Perfil del Índice de refracción. Diferencia relativa de índices Longitud de onda de corte Diámetro del campo modal Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Parámetros Dinámicos de la FO ATENUACION, Afectan la potencia y el nivel de la señal Intrínsecas: constitución física. Extrínsecas (Perdidas) : fabricación, envejecimiento, tendido. DISPERSION TEMPORAL, Limita la tasa de transmisión (respuesta de frecuencia en Banda Base) Dispersión Modal Dispersión del material Dispersión por guías de onda (waveguide)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Parámetros Estáticos - Geométricos Diámetro del núcleo (MM).- Diametro del circulo que define el centro del nucleo Diámetro del revestimiento (SM, MM).- Diametro del circulo que define el centro del revestimeinto No circularidad del núcleo (MM).- Diferencia entre los diametros maximo y minimo del nucleo dividido por el diametro teorico del nucleo No circularidad del revestimiento (SM, MM).-Diferencia entre los diametros maximo y minimo del revestimiento dividido por el diametro teorico del nucleo Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Parámetros Estáticos - Geométricos Error de concentricidad núcleo – revestimiento (SM, MM).Distancia entre el centro del nucleo y el centro del revestimiento dividida entre el diametro del nucleo Diámetro del recubrimiento primario (SM, MM). No circularidad del recubrimiento primario (SM, MM). Error de concentricidad de revestimiento - recubrimiento primario (SM, MM)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

La Atenuación en FO A medida que la luz viaja a través de la fibra óptica, su potencia decrece exponencialmente con la distancia L debido a que la luz es absorbida por la fibra cuando se propaga La atenuación de la señal no depende del ancho de banda o la modulación, y no presentan distorsion de amplitud La potencia total se distribuye entre los diferentes modos (MM) con atenuaciones distintas y entre los rayos espectrales (SM)

Pin

Potencia

Pout Coeficiente de atenuación de la fibra

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A. Distancia

Atenuación en FO Intrínsecas o Perdidas por absorción Ultravioleta e Infrarrojo o Perdidas por Esparcimiento Rayleigh (Scattering) o Perdidas por Scattering debido a la estructura no uniforme del núcleo Extrínsecas.- Ajenas a la fibra, debido a defectos de fabricacion o instalación (mal cableado o empalme) o Por absorcion de impurezas OHo Perdidas causadas por curvaturas o Por micro curvaturas causadas por presión externa o Por uniones (splice) – reflexión de Fresnel o Por acoplamiento entre la fibra y los aparatos receptores y transmisores (reflexión de Fresnel) Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Perdidas Intrínsecas Dependen de la composición del vidrio, impurezas, etc. y no pueden eliminarse, representan el limite teorico Las ondas de luz en el vacío no sufren ninguna perturbación, pero al propagarse por un medio no vacío, interactúan con la materia produciéndose un fenómeno de dispersión debida a: o

Dispersión por absorción: la luz es absorbida por el material transformándose en calor.

o

Dispersión por difusión: la energía se dispersa en todas las direcciones.

Esto significa que parte de la luz se irá perdiendo en el trayecto, y se atenuara al final de un tramo de fibra.

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Perdidas por Absorción UV e IR

Atenuacion (dB/Km)

Absorción ultravioleta se debe a la interacción existente entre los fotones que viajan por la fibra y las vibraciones moléculares en el núcleo, es despreciable a partir de 1000 nm Absorción por infrarrojos se debe al fenomeno de vibracion por interaccion entre los atomos de silicio y oxigeno, no es apreciable hasta los 1300 nm 1

Absorcion Ultravioleta

#$

+., ,. -

Absorcion Infrarroja

0.75 0.5

= 1.933'10() *

/ = 7.88'10 *

(+2.+2. -

0.25 λ (um)

0 Introd. a los Sistemas de Fibra 0.7 0.8 0.9 Óptica 1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Ing. 1.5 Jaime 1.6 Rupaylla A.

Perdidas por Scattering Rayleigh Core

Cladding

El esparcimiento de Rayleigh es un tipo de pérdidas causado por las fluctuaciones microscópicas (micro homogeneidades) en la densidad del material producidos por la agitación térmica e irregularidades en el proceso de fabricación de la fibra, tales como burbujas de gas atrapadas en el proceso de enfriamiento, secciones no vitrificadas o materiales que no han reaccionado Las fluctuaciones de densidad causan la fluctuación aleatoria del índice de refracción sobre una escala mucho más pequeña que la longitud de onda óptica. Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Perdidas por Scattering Rayleigh

Atenuacion (dB/Km)

Las irregularidades hacen que parte de la señal optica sufra pequeñas reflexiones originandose atenuacion inversamente prorporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda Son despreciables a longitudes de onda superiores a 1000 nm

1

3456

78⁄ 9:

=

.2 ,2, -< (>:)

B = Coeficiente de Guiaonda Scatter o perdida de imperfeccion

1 + @ ∆

B = varia entre 40 y 100

0.75

∆ = Diferencia relativa de indices de refraccion

0.5 0.25 0

0.7 Sistemas 0.8 de 0.9Fibra1.0 1.1 Introd. a los Óptica

λ (um) 1.2

1.3

1.4

Ing. Jaime Rupaylla A.

Absorcion por Impurezas Perdidas de Absorcion motivadas por contaminacion con grupos OHAtenuacion (dB/Km)

6 5 4 OH-

3 2

OH-

↓

1 0 0.7

Impurezas por agua OH-

0.8

0.9

1.0

↓

↓ 1.1 1.2 1.3 1.4 Longitud de Onda (um)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

1.5 1.6 Ing. Jaime Rupaylla A.

Perdidas Por Curvaturas Desde que se fabrica hasta que se instale la fibra puede verse sometida a diferentes curvaturas (pandeos) en la etapa del bobinado o del tendido Esta macrocurvatura origina atenuaciones adicionales al producirse la fuga de modos que en condiciones normales no ocurre, varia exponencialmente con el radio de curvatura y se aprecia al sobrepasar el radio de curvatura critico, debido a que los haces de luz logran escapar del núcleo por superar el ángulo máximo de incidencia admitido para la reflexión total interna. En la practica el radio de curvatura no debe exceder 10 veces el diametro exterior del cable

A

=

3 4 C

' B −

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

).

Ing. Jaime Rupaylla A.

Perdidas Por Microcurvaturas Micro curvaturas (Microbending) son causadas por defectos espaciados cuasi-periodicamente: irregularidades entre el núcleo y revestimiento, fluctuaciones del diámetro (error de elipticidad) y tortuosidades del eje de la fibra (error de concentridad) Son independientes de λ y se consideran solo cuando las irregularidades estan espaciadas a menos de una longitud L0

D ≈ 4F + ∆ Se evita aumentando la seccion de la fibra (radio a) o aumentando la diferencia entre los indices de refraccion del nucleo y revestimiento empleando los adecuados recubrimientos de la fibra (tipo multicapa primera capa de bajo modulo de Young y segunda capa de alto modulo) Perdidas por tendido, ambiente y envejecimiento o por radiaciones nucleares Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica Ing. Jaime Rupaylla A.

Macro y MicroMicro-curvaturas Luz de salida

Core

R < Radio de curvatura mínimo

Presión aplicada

Cladding

Luz de entrada

Macro curvatura es referida a las pérdidas causadas por doblar la fibra más allá de un radio de curva mínimo. Micro curvatura es entendida como las pequeñas curvas o las desviaciones mínimas en la interface entre el núcleo y el cladding. Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Atenuación en FO

Atenuacion (dB/Km)

6 Esparcimiento Rayleigh

5 4 3

Absorcion por OH-

2

Absorcion Infrarroja Micro curvaturas

Absorcion Ultravioleta

1 0 0.7

0.8

0.9

1.0

1.1 1.2 1.3 1.4 Longitud de Onda (um)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

1.5 1.6 Ing. Jaime Rupaylla A.

Atenuación en FO

Atenuacion (dB/Km)

6 5 1a. ventana

2a. ventana

3a. ventana

4 3 2 1 0 0.7

0.8

0.9

1.0

1.1 1.2 1.3 1.4 Longitud de Onda (um)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

1.5 1.6 Ing. Jaime Rupaylla A.

Ventanas de Trabajo Las fibras ópticas presentan una menor atenuación (pérdida) en ciertas porciones del espectro lumínico, las cuales se denominan ventanas y corresponden a las siguientes longitudes de onda Ventana

Banda (nm)

Longitud de Onda (nm)

Alcance (Km)

Atenuación (dB/Km)

Costos

Usos

1ra

800 - 900

850

2

2.3

Bajo

LAN

2da

1250 - 1350

1310

40

0.5

Medio

LAN, WAN, SONET

3ra

1500 - 1600

1550

160

0.25

Elevado

WAN, SONET

La 2da y 3ra ventana son típicamente escogidas debido a sus baja atenuación Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión en la Fibra Óptica La dispersión es un fenómeno que origina que dos señales se copropagen por diferentes rutas a través del mismo medio. En comunicaciones por fibra óptica, hay algunos tipos de dispersión que puede afectar el rendimiento, ellos son: modal, material, Guía de onda y polarización

50% Ti

To GHIJ*KIHL = M − M

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión en la Fibra Óptica Dispersión sucede cuando diferentes componentes de señal (modos) viajan a diferentes velocidades de propagación debido a las diferentes estructuras ópticas y geométricas del material o guia de ondas o Su efecto son los pulsos que se ensanchan en el tiempo o Se produce interferencia intersimbolos (ISI), mas errores Define la capacidad máxima o volumen de información que por unidad de longitud puede transmitirse por una fibra

Pin

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Los símbolos se tornan irreconocibles

Pout Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión en la Fibra Óptica A medida que los pulsos viajan por la fibra, un retraso de los diversos rayos de luz origina el ensanchamiento temporal de los pulsos. Esto limita la distancia, ancho de banda y velocidad de bits en una fibra, este efecto es acumulativo con la longitud de la fibra. En fibras MM la dispersión se da por las diferentes trayectorias y en fibras SM depende del ancho de banda del emisor

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión en la Fibra Óptica CAUSAS Dispersión Modal o Intermodal Dispersión Total

Dispersión por efecto Guía de Onda

ps / (nm Km)

FO SM

FO MM

Dispersión Cromática

Efectos Alineales

Dispersión por Modo de Polarización

EFECTO Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Dispersión del Material, Intramodal o Espectral

Limita el Ancho de Banda Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión en la Fibra Óptica Para medir el ensanchamiento del pulso luminoso se usa el valor cuadratico medio de su duracion, pues se considera a la fibra optica como un sistema lineal, y se requiere calcular el valor cuadratico medio del ensanchamiento que produce cada uno de los fenmomemos dispersivos Fibra Optica (Sistema Lineal) Pulso Optico

Pulso Optico

N = N: Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

7

σMOD

σMAT

σG

" N:O " NP> O Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión Modal Dispersión de modos.- Los diferentes modos de una misma longitud de onda siguen rutas distintas, tienen diferentes velocidades y llegan en instantes diferentes causando ensanchamiento del pulso de luz debido a la diferencia de retardos de grupo entre modos (desafasaje temporal) Salto de Indice Dispersion = 20 ns/Km Core

Modo Fundamental

Cladding

M2 Onda veloz

M1 Onda lenta

N:

7 (3. .)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

I/RS =

2

T

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión Modal Son importantes en fibras multimodo, puede optimizarse empleando fibras multimodo de indice gradual con perfil de indice parabolico (g=2) No dependen de la distancia L recorrida, depende del grado de acoplamiento modal (transferencia energetica entre modos) lo cual se ve reflejado en el coeficiente de acoplamiento modal U, varian entre 0.5 y 0.6 (salto de indice) y entre 0.7 y 0.8 (indice gradual) Indice Gradual (g=2) Dispersion = 0.1 ns/Km Core

Modo Fundamental

M2 Onda veloz

Cladding

M1 Onda lenta

N:

I/RS =

W



7 ( . .) ) 8 Fibra ( W ) T Introd. a los Sistemas de Óptica

N:

7 ( . .)

I = N: 7 I/RS DX Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión Material Dispersión del material o espectral, debido a que el índice de refracción del material depende de λ, las diferentes longitudes de onda (componentes espectrales) que componen el pulso enviado viajan a velocidades distintas y causan ensanchamiento (desfasaje temporal) del pulso de luz. Causada por el ancho espectral de la fuente óptica (∆λ)y afectan a fibras MM y SM. (prisma) λ1 λ2 λ3 ∆λ (-3dB)

λ1 λ2 λ3 espectro

L

λ1 λ2 λ3 Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión Material Cada material esta caracterizado por un coeficiente que nos da la medida de la variacion del indice de refraccion con la longitud de onda M(λ). En el silice puro dicho parametro presenta cero de dispersion alrededor de 1300nm 120

Fibra

Índice Escalón

1ra Ventana

Max 120 ps Km nm

2da Ventana

Max 5 ps nm Km

100

Silice Puro M(λ) ps/nmxKm

N:O

1 = ∆B D Y 2.35

80 60 40 20 0 -20 -40

0.8 0.9

1.0 1.1

1.2 1.3

1.4 1.5

1.6

Longitud de Onda λ (um)

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión de la Guía de Onda Son importantes en fibras monomodo, causada por la dependencia del grado de confinamiento del mod fundamental de la longitud de onda, a mayor λ mas se incrementa la penetracion desde el nucleo al revestimiento. Por ello cuando el índice del núcleo difiere levemente del índice del cubrimiento y una fraccion de la luz del modo fundamental se propaga por el revestimiento sucede que dentro del ancho espectral ∆λ se tienen diferencias en los tiempos de recorrido; se caracterizan porque tienen un coeficiente especifico del material del que se trate G(λ)

NP> O =

λ1

.)Z

ΔB D \ -

λ2

λ1 > λ2

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión Cromatica

Dispersion (ps/nm/Km)

La dispersion del material y del guia de ondas tienen una naturaleza similar por ello en forma global se le denomina Dispersion Cromatica Los coeficientes M(λ) y G(λ) tienen signos opuestos por encima de 1300 nm por lo cual pueen emplearse para desplazar el CERO DE DISPERSION mas alla de los 1300nm o para acotarla en la banda de 1300 a 1550 nm (dispersion plana) 40

-20

:O

= N:O " NP> O

M(λ)+G(λ)

20 0

N

M(λ)

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

λ (um)

G(λ)

-40

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

N

:O

= ΔB D

] - ^ (-) .)Z

Ing. Jaime Rupaylla A.

Dispersión y Ancho de Banda Índice de Pulso de Refracción Entrada

Sección de la Fibra

Propagación de la “luz” en la fibra

Pulso de Salida

Multimodo índice en escalón

125 um

100 um

n

Multimodo índice gradual

125 um

50 um

n

Monomodo

125 um

10 um

n

Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

Ing. Jaime Rupaylla A.

Fuentes Ópticas Son elementos encargados de generar los impulsos luminosos que se transmitirán a lo largo de la fibra, reciben señal eléctrica modulada en voltaje y la convierten en señales de luz moduladas. Existen dos tipos: o

Diodos Luminosos (LED = Light Emiting Diode)

o

Láseres (ILD = Injection Laser Diode).

Deben evaluarse diferentes parámetros: consumo, fiabilidad a cambios de temperatura, potencia de salida para mayor alcance, pureza espectral, modulación a la velocidad de transmisión. Al emplear fibras de diferente diámetro, la potencia varia debido a lasaperdidas por Introd. los Sistemas de acoplamiento Fibra Óptica

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Diodos Emisores de Luz (LED's) Son fuentes de luz con emisión espontánea (no coherente) o Fuentes baratas fácil de fabricar y utilizar o Grandes para el acoplamiento a las fibras multimodo o Apto sólo para aplicaciones de bajo nivel y corta distancias o La mayoría de las aplicaciones actuales, utilizan LED's a 850 nm, limitada a algunos cientos de Mbps y algunos Kms.

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LASER Las LASER (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), son fuentes de luz coherente de emisión estimulada o Pequeños, de tamaño concentrado, permiten un buen acoplamiento con las fibras monomodo o Permiten distancias más largas o Costosos, más complejos y de difícil fabricación o Los láser pueden ser modulados (prendido/apagado) en altas velocidades; el tiempo de subida o bajada va desde el 10% al 90% de la potencia pico; pueden alcanzar velocidades de datos del orden de Gbit/s en tercera ventana

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Comparación de Emisores Ópticos Material Longitud de Onda (nm)

LED In Ga As P 800 - 1650

LASER In Ga As P 1100 – 1600

Anchura Espectral (nm)

Amplio BW espectral 40 - 100

Espectro reducido 0.1 – 6

Pot. óptica de inyección

Poca -18 dBm

Mediana, Alta -3 dBm

Multimodo Corta y media; LAN , loop de abonado

Multimodo -Monomodo Gran distancia, amplio BW

Hasta 200 MHz

Mayor a 1 GHz

Larga vida (106 horas) Bajo, mucha dispersión

Corta vida (105 horas) Alto

Menor, amplia AN

Mayor, pequeño AN

Confiabilidad

Mayor

Menor

Sensibilidad temperatura

Menor

regular

Bajo

Alto

Barato

Caro y genera calor

Modo Distancia Frecuencia de Modulación Tiempo de vida Data Rate, velocidad Direccionalidad de la luz

Ruido Modal Costo

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Comparación de Emisores Ópticos El valor nominal de la longitud de onda central pueden ser de 850, 1300 o 1550 nm (ventanas de trabajo) El espectro de operación del láser (0.1 a 6 nm) es más angosto que el del LED (40 a 100 nm). La salida de luz del LED es linealmente proporcional a la corriente manejada y la salida de luz del láser es proporcional a la corriente por encima del umbral. Potencia (mw)

Potencia (mw) 10 5 0 .5 .1

Laser

4

Autolimitación térmica

3

Laser 1 nm

LED’s

2

LED’s 50 nm Longitud de Onda (nm)

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Umbral

1 100

200

300

Corriente de Excitación 400 (mA)

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Dependencia con la temperatura Potencia de Salida óptica ( mw )

ELED = LED DE BORDE SLED = LED DE EMISION SUPERFICIAL SLD = LED SUPERLUMINISCENTE

Potencia de salida óptica ( mW. ) 4

10

5

T = 0ºC

10

3

15

SLD, InGaAsP

SLED

2

20

1

25 ELED

30 35

1

I = 200 mA λ = 1.3 µ m.

SLD 40

0.1

0 0

20

40

60

80

TEMPERATURA ( ªC ) Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

0

50

100

150

200

250

CORRIENTE ( mA. ) Ing. Jaime Rupaylla A.

Receptores y Detectores Ópticos Los más usados son del tipo: o

PIN (P-intrínseco-N) : Genera un par electrónhueco por fotón incidente

o

APD (Avalanche Photo Diodes) : Genera mas de un electrón-hueco por fotón incidente, a través de un proceso “Ionización por impacto”

Deben evaluarse diferentes parámetros: consumo, tamaño, sensibilidad, rendimiento a conversión opto eléctrica, tasa de errores y ruido, demodulación de la portadora recibida Introd. a los Sistemas de Fibra Óptica

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Comparación de Detectores Ópticos o APD mas sensible (puede detectar señales débiles) o Dependiendo de la SNR necesaria se elige PIN o APD de acuerdo a la zona donde se ubique la potencia de luz de entrada o Requiere de un alto voltaje de polarización (50 ~ 400 V) o APD mas sensible a variaciones de temperatura y del voltaje de polarización. o APD mas costoso y mas complejo de usar

Velocidad de Transmisión

565 Mbps

140 Mbps

34 Mbps

Sensibilidad PIN (dBm)

-37

-45.5

-49

Sensibilidad APD (dBm)

-42

-49

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-56

FIN CAPITULO 1

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