capitulo 1 fibra optica

8/12/2019 Capitulo 1 Fibra Optica

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Autores: Xavier Serrano G.Julio Proao O.

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CAPITULO 1:

FIBRA PTICA

1.1 INTRODUCCIN

1.1.1 Historia

La historia de la fibra ptica comienza cuando el fsico irlands John Tyndall

descubri que la luz poda viajar dentro de un material en curva (agua) por la

reflexin interna total. Este principio fue utilizado en su poca para iluminar

corrientes del agua en fuentes pblicas. En 1952, el fsico Narinder Singh Kapany,

apoyndose en los estudios de John Tyndall, realiz experimentos que condujeron a

la invencin de la fibra ptica.

Uno de los primeros usos de la fibra ptica fue usar un haz de fibras para la

transmisin de imgenes, y se uso en el endoscopio mdico. Usando la fibra ptica,

se consigui un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de

Michigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un

material de bajo ndice de refraccin, ya que antes se impregnaban de aceites o ceras.

Charles Kao en su tesis doctoral de 1966 estim que las mximas prdidas que

debera tener la fibra ptica para que resultara prctica en enlaces de comunicaciones

eran de 20 dB/km. En 1970 los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar que

trabajaban para Corning Glass Works fabricaron la primera fibra ptica dopando el

slice con titanio. Las prdidas eran de 17 dB/km. Durante esta dcada las tcnicas de

fabricacin se mejoraron, consiguiendo perdidas de tan solo 0,5 db/km. Y en 1978 ya

se transmita a 10 Gb.km/s.

El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envi la primera

transmisin telefnica a travs de ptica de fibra, en 6 Mbit/s, en Long Beach,

California.

El amplificador que marco un antes y un despus en el uso de la fibra ptica en

conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue el amplificador de fibra

dopada con Erbio inventado por David Payne de la universidad de Southampton, y


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Emmanuel Desurvire en los laboratorios de Bell. A los cuales les fue entregada, en

1988, la medalla Benjamin Franklin

El primer enlace transocenico con fibras pticas fue el TAT-8, comenz a operar en

1988. Desde entonces se ha empleado fibra ptica en multitud de enlaces

transocenicos, entre ciudades y poco a poco se va extendiendo su uso desde las

redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.

1.1.2 Definicin

La fibra ptica es una gua de ondas dielctrica que opera a frecuencias pticas.

Cada filamento consta de un ncleo central de plstico o cristal (xido de silicio ygermanio) con un alto ndice de refraccin, rodeado de una capa de un material

similar con un ndice de refraccin ligeramente menor. Cuando la luz llega a una

superficie con un ndice de refraccin menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor

sea la diferencia de ndices y mayor el ngulo de incidencia, mayor ser la parte

reflejada que cuando se refleja totalmente, se habla entonces de reflexin interna

total.

As, en el interior de una fibra ptica, la luz se va reflejando contra las paredes en

ngulos muy abiertos, de tal forma que prcticamente avanza por su centro. De este

modo, se pueden guiar las seales luminosas sin prdidas por largas distancias.

1.1.3 Aplicaciones

Redes

Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicacin a larga distancia, que

proporcionan conexiones transcontinentales y transocenicas. Una ventaja de los

sistemas de fibra ptica es la gran distancia que puede recorrer una seal antes de

necesitar un repetidor. En la actualidad, los repetidores de fibra ptica estn

separados entre s unos 100 Km., frente a aproximadamente 1,5 Km. en los sistemas

elctricos, esta distancia es la recomendada para garantizar un alto rendimiento de la

seal, mientras que la distancia mxima es de 3Km. Los amplificadores de fibra

ptica recientemente desarrollados pueden aumentar todava ms esta distancia.


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Otra aplicacin cada vez ms extendida de la fibra ptica son las redes de rea local.

Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una

serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores

(computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y

permite fcilmente la incorporacin a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de

nuevos componentes electro pticos y de ptica integrada aumentar an ms la

capacidad de los sistemas de fibra.

Otras aplicaciones de la fibra ptica son las siguientes:

Se puede usar como una gua de onda en aplicaciones mdicas oindustriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco

que no se encuentra en la lnea de visin.

La fibra ptica se puede emplear como sensor para medir tensiones,

temperatura, presin as como otros parmetros.

Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar

instrumentos de visualizacin largos y delgados llamados endoscopios.

Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a travs deun agujero pequeo. Los endoscopios industriales se usan para propsitos

similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas.

Las fibras pticas se han empleado tambin para usos decorativos

incluyendo iluminacin, rboles de Navidad.

1.1.4 Ventajas

La principal ventaja que nos proporciona una fibra ptica es su ancho de banda muy

grande, hay sistemas de multiplexacin que permiten enviar 32 haces de luz a una

velocidad de 10Gb/s cada uno por una misma fibra, dando lugar a una velocidad total

de 320Gb/s.


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1.1.5 Desventajas

A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra ptica presenta una serie de

desventajas frente a otros medios de transmisin, siendo las ms relevantes las

siguientes:

La fragilidad de las fibras.

Necesidad de usar transmisores y receptores ms caros

Los empalmes entre fibras son difciles de realizar, especialmente en el

campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de rotura del cable.

No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversin elctrica-ptica.

La fibra ptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.

No existen memorias pticas.


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1.2 FUNDAMENTOS DE LA FIBRA PTICA

1.2.1 El Espectro Electromagntico

La luz que se utiliza en las redes de fibra ptica es un tipo de energa

electromagntica, por lo tanto posee una longitud de onda.

Grfico 1.1: Longitud de Onda

Fuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

La radio, las microondas, el radar, la luz visible, los rayos x y los rayos gama parecen

ser todos muy diferentes. Sin embargo, todos ellos son tipos de energa

electromagntica. Si se ordenan todos los tipos de ondas electromagnticas desde la

mayor longitud de onda hasta la menor, se crea un continuo denominado espectro

electromagntico.

Grfico 1.2 a: Espectro Electromagntico

Servicio telefnico

Radio AM

Cable coaxial

Radio FM y televisin

Satlite

Microondas terrestres

Fibra ptica

Radio

Microondas

Infrarojo Ultavioleta

Visible

Par trenzado

102 Hz 103 104 105 106 107 10 8 10 9 10 10 1011 1012 1013 1014 1015 1016


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Grfico 1.2 b: Espectro Electromagntico

Como todas las ondas electromagnticas se generan de la misma manera, comparten

muchas propiedades. Todas las ondas viajan a la misma velocidad en el vaco. La

velocidad es aproximadamente 300.000 kilmetros por segundo. Esta es tambin la

velocidad de la luz.

Los ojos humanos estn diseados para percibir solamente la energa

electromagntica de longitudes de onda de entre 700 y 400 nanmetros (nm). La

energa electromagntica con longitudes de onda entre 700 y 400 nm recibe el

nombre de luz visible. Las longitudes de onda de luz ms largas que se encuentran

cerca de los 700 nm se perciben como el color rojo. Las longitudes de onda ms

cortas que se encuentran alrededor de los 400 nm aparecen como el color violeta.

Grfico 1.3: Longitudes de Onda VisiblesFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Las longitudes de onda invisibles al ojo humano son utilizadas para transmitir datos a

travs de una fibra ptica. Estas longitudes de onda son levemente ms largas que las

de la luz roja y reciben el nombre de luz infrarroja. Las longitudes de onda de la luz

que se utilizan en la fibra ptica son: 850 nm, 1310 nm o 1550 nm. Se seleccionaron

estas longitudes de onda porque pasan por la fibra ptica ms fcilmente que otras.


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Grfico 1.4: Variacin de la atenuacin (db/Km) vs Longitud de onda (nm)Fuente: Arturo Alvarracn Ochoa, Milton Len Bernal, ANLISIS DE LA RED DE FIBRA PTICA

DE ETAPA, 2005

1.2.2 Modelo de Rayo de Luz

Reflexin

La luz viaja a velocidades diferentes segn el tipo de material que atraviesa. Cuando

un rayo de luz, denominado rayo incidente, cruza los lmites de un material a otro, se

refleja parte de la energa de el rayo de luz. La luz reflejada recibe el nombre de rayo

reflejado.

Grfico 1.5 a: ReflexinFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

El ngulo que se forma entre el rayo incidente y una lnea perpendicular a la

superficie del vidrio, en el punto donde el rayo incidente toca la superficie del vidrio,recibe el nombre de ngulo de incidencia. Esta lnea perpendicular recibe el nombre

0

1

2

7

450 850 1300 1500750

(db/Km)

(nm)


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de normal. El ngulo que se forma entre el rayo reflejado y la normal recibe el

nombre de ngulo de reflexin. La Ley de la Reflexin establece que el ngulo de

reflexin de un rayo de luz es equivalente al ngulo de incidencia. En otras palabras,

el ngulo en el que el rayo de luz toca una superficie reflectora determina el ngulo

en el que se reflejar el rayo en la superficie.

Grfico 1.5b: ReflexinFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Refraccin:

La energa de la luz de un rayo incidente que no se refleja entra en el material. El

rayo entrante se dobla en ngulo desvindose de su trayecto original. Este rayo recibe

el nombre de rayo refractado. El grado en que se dobla el rayo de luz incidente

depende del ngulo que forma el rayo incidente al llegar a la superficie del material y

de las distintas velocidades a la que la luz viaja a travs de las dos sustancias.


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Grfico 1.6 a: RefraccinFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

La densidad ptica del material determina la desviacin de los rayos de luz en el

vidrio. La densidad ptica se refiere a cunto la velocidad del rayo de luz disminuye

al atravesar una sustancia. Cuanto mayor es la densidad ptica del material, ms se

desacelera la luz en relacin a su velocidad en el vaco. El ndice de refraccin () se

define como la velocidad de la luz en el vaco dividido por la velocidad de la luz en

el medio.

medioelenluzladevelocidad

vacoelenluzladevelocidad Ecuacin 1.1

Por lo tanto, la medida de la densidad ptica de un material es el ndice de refraccin

de ese material. Un material con un alto ndice de refraccin es pticamente ms

denso y desacelera ms la luz que un material con menor ndice de refraccin.

Si el rayo de luz parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo ndice de

refraccin es mayor, el rayo refractado se desva hacia la normal. Si el rayo de luz

parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo ndice de refraccin es menor,

el rayo refractado se desva en sentido contrario de la normal.

Considere un rayo de luz que pasa con un ngulo que no es de 90 grados por el lmite

entre un vidrio y un diamante como se muestra en el grfico 1.6b.

Grfico 1.6b: RefraccinFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

El vidrio tiene un ndice de refraccin de aproximadamente 1,523. El diamante tiene

un ndice de refraccin de aproximadamente 2,419. Por lo tanto, el rayo que contina

su trayecto por el diamante se desviar hacia la normal. Cuando ese rayo de luz cruce

el lmite entre el diamante y el aire con un ngulo que no sea de 90 grados, se


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desviar alejndose de la normal. La razn de esto es que el aire tiene un ndice de

refraccin menor, cerca de 1,000 menos que el ndice de refraccin del diamante.

Esta desviacin de los rayos de luz en los lmites de dos sustancias es la razn por la

que los rayos de luz pueden recorrer una fibra ptica aun cuando la fibra tome la

forma de un crculo.

Leyes de la Refraccin

Primera Ley: El rayo refractado se encuentra en el plano del rayo incidente y la

normal que pasa por el punto de incidencia.

Segunda Ley: Denominada Ley de Snell y viene representada por la siguienteecuacin:

)sin(.)sin(. RRII nn Ecuacin 1.2

Grfico 1.7: Ley de Snell

Fuente: http://usuarios.lycos.es/Fibra_Optica/comparacion.htm

El ngulo I es el llamado ngulo de incidencia y el R es el ngulo refractado.

Estos ngulos son medidos desde la lnea normal a la superficie.

Reflexin interna total

Un rayo de luz que se enciende y apaga para enviar datos (unos y ceros) dentro de

una fibra ptica debe permanecer dentro de la fibra hasta que llegue al otro extremo.El rayo no debe refractarse en el material que envuelve el exterior de la fibra. La


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refraccin producira una prdida de una parte de la energa de la luz del rayo. Es

necesario lograr un diseo de fibra en el que la superficie externa de la fibra acte

como espejo para el rayo de luz que viaja a travs de la fibra. Si un rayo de luz que

trata de salir por el costado de la fibra se refleja hacia dentro de la fibra a un ngulo

tal que lo enve hacia el otro extremo de la misma, se formara un buen "conducto" o

"gua de ondas".

Grfico 1.8: Gua de ondasFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Las leyes de reflexin y de refraccin ilustran cmo disear una fibra que gue las

ondas de luz a travs de la fibra con una mnima prdida de energa. Se deben

cumplir las dos siguientes condiciones para que un rayo de luz en una fibra se refleje

dentro de ella sin ninguna prdida por refraccin.

El ncleo de la fibra ptica debe tener un ndice de refraccin (n) mayor que

el del material que lo envuelve. El material que envuelve al ncleo de la fibra

recibe el nombre de revestimiento.

El ngulo de incidencia del rayo de luz es mayor que el ngulo crtico para el

ncleo y su revestimiento.


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Grfico 1.9: Reflexin Interna Total


Cuando se cumplen estas dos condiciones, toda la luz que incide en la fibra se refleja

dentro de ella. Esto se llama reflexin interna total, que es la base sobre la que se

construye una fibra ptica. La reflexin interna total hace que los rayos de luz dentro

de la fibra reboten en el lmite entre el ncleo y el revestimiento y que continen su

recorrido hacia el otro extremo de la fibra. La luz sigue un trayecto en zigzag a lo

largo del ncleo de la fibra.

Resulta fcil crear una fibra que cumpla con esta primera condicin. Adems, el

ngulo de incidencia de los rayos de luz que entran al ncleo puede ser controlado.

La restriccin de los siguientes dos factores permite controlar el ngulo de

incidencia:

La apertura numrica de la fibra: La apertura numrica del ncleo es el

rango de ngulos de los rayos de luz incidente que ingresan a la fibra y que

son reflejados en su totalidad.


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Grfico 1.10: Apertura Numrica


Modos: Los trayectos que puede recorrer un rayo de luz cuando viaja por lafibra.

Grfico 1.11: ModosFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Al controlar ambas condiciones, el tendido de la fibra tendr reflexin interna total.

Esto sirve de gua a la onda de luz que puede ser utilizada para las comunicaciones

de datos.

1.2.3 Estructura de la Fibra ptica


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En general, un cable de fibra ptica se compone de cinco partes. Estas partes son: el

ncleo, el revestimiento, un amortiguador, un material resistente y un revestimiento

exterior:

Grfico 1.12: EstructuraFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Ncleo: El ncleo es el elemento que transmite la luz y se encuentra en el centro de

la fibra ptica. Todas las seales luminosas viajan a travs del ncleo. El ncleo es,

en general, vidrio fabricado de una combinacin de dixido de silicio (slice), cuarzo

fundido o plstico. Tiene un dimetro de 50 o 62,5 m para la fibra multimodo y

9m para la fibra monomodo.

Revestimiento:Recubre a cada una de las fibras del ncleo, est fabricado con slice

pero con un ndice de refraccin menor que el del ncleo. Los rayos de luz que se

transportan a travs del ncleo de la fibra se reflejan sobre el lmite entre el ncleo y

el revestimiento a medida que se mueven a travs de la fibra por reflexin total

interna.

Amortiguador: Alrededor del revestimiento se encuentra un material amortiguadorque es generalmente de plstico. El material amortiguador ayuda a proteger al ncleo

y al revestimiento de cualquier dao. Existen dos diseos bsicos para cable. Son los

diseos de cable de amortiguacin estrecha y de tubo libre.


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Grfico 1.13: Tipos de RevestimeitnoFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Los cables con amortiguacin estrecha tienen material amortiguador que rodea y est

en contacto directo con el revestimiento. La diferencia ms prctica entre los dos

diseos est en su aplicacin. El cable de tubo suelto se utiliza principalmente para

instalaciones en el exterior de los edificios mientras que el cable de amortiguacin

estrecha se utiliza en el interior de los edificios.

Material Resistente: El material resistente rodea al amortiguador, evitando que el

cable de fibra ptica se estire cuando los encargados de la instalacin tiran de l. El

material utilizado es, en general, Kevlar, el mismo material que se utiliza para

fabricar los chalecos a prueba de bala.

Revestimiento Exterior: ste es el ltimo elemento. El revestimiento exterior rodea

al cable para as proteger la fibra de abrasin, solventes, corrosin, humedad, etc, es

decir asegura la proteccin mecnica de la fibra.

1.2.4 Tipos de Fibra ptica

Fibra Multimodo

Los rayos de luz slo pueden ingresar al ncleo si el ngulo est comprendido en la

apertura numrica de la fibra. Asimismo, una vez que los rayos han ingresado al


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ncleo de la fibra, hay un nmero limitado de recorridos pticos que puede seguir un

rayo de luz a travs de la fibra. Estos recorridos pticos reciben el nombre de modos.

Si el dimetro del ncleo de la fibra es lo suficientemente grande como para permitir

varios trayectos que la luz pueda recorrer a lo largo de la fibra, esta fibra recibe el

nombre de fibra "multimodo".

Grfico 1.14: Fibra MultimondoFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

Los circuitos de fibra ptica usan una hebra de fibra para transmitir y una para

recibir. En general, estos dos cables de fibra se encuentran en un solo revestimiento

exterior hasta que llegan al punto en el que se colocan los conectores.

Grfico 1.15: ConectoresFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

No hay problemas de diafona en la fibra ptica. Es comn ver varios pares de fibras

reenvueltos en un mismo cable. Esto permite que un solo cable se extienda entre

armarios de datos, pisos o edificios. Un solo cable puede contener de 2 a 48 o ms

fibras separadas. En el caso del cobre, sera necesario tender un cable UTP para cada


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circuito. La fibra puede transportar muchos ms bits por segundo y llevarlos a

distancias mayores que el cobre.

La fibra multimodo usa un tipo de vidrio denominado vidrio de ndice graduado para

su ncleo. Este vidrio tiene un ndice de refraccin menor hacia el borde externo del

ncleo. De esta manera, el rea externa del ncleo es pticamente menos densa que

el centro y la luz puede viajar ms rpidamente en la parte externa del ncleo. Se

utiliza este diseo porque un rayo de luz que sigue un modo que pasa directamente

por el centro del ncleo no viaja tanto como un rayo que sigue un modo que rebota

en la fibra. Todos los rayos deberan llegar al extremo opuesto de la fibra al mismo

tiempo. Entonces, el receptor que se encuentra en el extremo de la fibra, recibe un

fuerte flash de luz y no un pulso largo y dbil.

Un cable de fibra ptica multimodo estndar utiliza una fibra ptica con ncleo de

62,5 50 micrones y un revestimiento de 125 micrones de dimetro. A menudo,

recibe el nombre de fibra ptica de 62,5/125 50/125 micrones.

Fibra ptica Multimodo de ndice Escaln (Step Index)

Son aquellas en las cuales el valor del ndice de refraccin en el ncleo permanecesiempre constante y mayor que el valor del revestimiento. Como se conoce en la

fabricacin de una fibra, un ncleo cilndrico de vidrio o plstico con ndice de

refraccin n1 es cubierta por una corteza igualmente de vidrio o plstico con un

ndice de refraccin menor n2. Una fibra que est constituida por un ncleo de vidrio

y corteza de plstico se le denomina fibra PCS (Plastic - Clad Silica). Se pueden

obtener elevados NA (apertura numrica) con este tipo de fibras que adems se

caracterizan por tener un dimetro de ncleo ancho, elevada atenuacin y pequeoancho de banda. Lo importante de este tipo de fibra es que al ser elevado el NA,

permite el uso de un LED como emisor de superficie de bajo costo, as como

conectores baratos.

En estos tipos de fibras los distintos modos de propagacin o rayos siguen distintos

caminos y llegan al otro extremo en instantes diferentes, provocando un

ensanchamiento de la seal ptica transmitida.


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El nmero mximo de modos (M) que pueden existir en el ncleo de una fibra

depende de su apertura numrica, de su dimetro y de la longitud de onda de la luz,

para una fibra del tipo step index se puede determinar matemticamente por la

siguiente expresin:

2**

5.0

NAncleodelDimetroM Ecuacin 1.3

La propiedad de la luz relacionada con el hecho que la propagacin de la potencia

ptica en las fibras pticas se puede dar en muchos modos, debe considerarse como

una desventaja debido a que se generen muchas trazas y consecuentemente distintos

tiempos de trnsito (Fenmeno Fading). Matemticamente; se puede decir que lacondicin para que se genere ms de un modo es la siguiente:

NAd

766.0 Ecuacin 1. 4

En donde d es el dimetro de la fibra. A mayor nmero de modos, mayor es el ngulo

de la traza correspondiente como se puede ver en siguiente figura:

Grfico 1.16: Fuente Multimodo de ndice Escaln

La luz de un emisor es distribuida uniformemente en el cono de aceptacin de lafibra y la potencia del pulso ptico de entrada es distribuida uniformemente en todos

los modos. Debido a que cada modo tiene un tiempo diferente de propagacin, se

producir el efecto siguiente: distorsin del pulso y se tendr un ancho de banda

limitado. A este fenmeno se le llama la Distorsin Multimodo (Ruido

determinstico coherente).

La distorsin multimodo recibe tambin el nombre de dispersin modal y la relacin

entre los tiempos de recorridos mnimos y mximos es directamente proporcional a


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la relacin entre los ndices de refraccin del recubrimiento y del ncleo que es del

orden del 1%.

Fibra ptica Multimodo de ndice Gradual (Graded Index Core)

Este tipo de fibra consiste de un ncleo cuyo ndice de refraccin vara con la

distancia a lo largo del eje, con el objetivo de disminuir los efectos de la dispersin

modal. Al igual que la fibra de ndice escaln, el ncleo esta rodeado por el vidrio

del cladding revestimiento de menor ndice refractivo.

Grfico 1.17: Fibra ptica Multimodo de ndice GradualFuente: Gregorio Rodrguez, La Fibra ptica, Monografas.com.

Las fibras de ndice gradual ofrecen una buena aceptacin de luz y ancho de banda,

mejor de las ofrecidas por las fibras de ndice escaln. Otras caractersticas ofrecidas

son:

Dimetro del ncleo moderado.

Bajo NA. Atenuacin moderada.

El ancho de banda mejorado se debe a la estructura especial de la fibra que permite

un ndice de refraccin distribuido como lo representa la siguiente figura:

Grfico 1.18: Ancho de Banda-Fibra Multimodo ndice GradualFuente: Gregorio Rodrguez, La Fibra ptica, Monografas.com.


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Debido a que la velocidad de la luz disminuye con el crecimiento del ndice de

refraccin, la velocidad de la luz para modos cerca del centro del ncleo es menor

que en la zona cerca al lmite con la corteza. Para perfiles parablicos (cuadrticos)

del ndice de refraccin, el tiempo de propagacin, para varios modos es casi

ecualizado, lo cual reduce la distorsin debido a la propagacin multimodo.

Las fibras de ndice gradual fueron diseadas especialmente para las

telecomunicaciones, por largo tiempo los dimetros estndares han sido de 50 y 62.5

um con un cladding de 125 um, algunas son fabricadas con un ncleo de 82.5 um.

Fue usada para algunas aplicaciones de Telecomunicaciones hasta mediados de los

80s, estos tipos de fibras han permanecido en uso principalmente en las redes dedatos para transportar datos a distancias moderadas.

Fibra Monomodo

La mayor diferencia entre la fibra monomodo y la multimodo es que la monomodo

permite que un solo modo de luz se propague a travs del ncleo de menor dimetro

de la fibra ptica. El ncleo de una fibra monomodo tiene de ocho a diez micrones de

dimetro. Los ms comunes son los ncleos de nueve micrones.

La marca 9/125 que aparece en el revestimiento de la fibra monomodo indica que el

ncleo de la fibra tiene un dimetro de 9 micrones y que el revestimiento que lo

envuelve tiene 125 micrones de dimetro. En una fibra monomodo se utiliza un lser

infrarrojo como fuente de luz. El rayo de luz que el lser genera, ingresa al ncleo en

un ngulo de 90 grados. Como consecuencia, los rayos de luz que transportan datos

en una fibra monomodo son bsicamente transmitidos en lnea recta directamente por

el centro del ncleo.

Grfico 1.19: Fibra MonomodoFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1


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Esto aumenta, en gran medida, tanto la velocidad como la distancia a la que se

pueden transmitir los datos.

Por su diseo, la fibra monomodo puede transmitir datos a mayores velocidades

(ancho de banda) y recorrer mayores distancias de tendido de cable que la fibra

multimodo. Las fibras monomodo y el lser son ms costosos que los LED y la fibra

multimodo. Debido a estas caractersticas, la fibra monomodo es la que se usa con

mayor frecuencia para la conectividad entre edificios.

En la figura se compara los tamaos relativos del ncleo y el revestimiento para

ambos tipos de fibra ptica en distintos cortes transversales. Como la fibra

monomodo tiene un ncleo ms refinado y de dimetro mucho menor, tiene mayorancho de banda y distancia de tendido de cable que la fibra multimodo. Sin embargo,

tiene mayores costos de fabricacin.

Grfico 1.20: Tipos de Fibras pticasFuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

La luz de lser que se utiliza con la fibra monomodo tiene una longitud de onda

mayor que la de la luz visible. El lser es tan poderoso que puede causar graves

daos a la vista. Nunca se debe mirar directamente al interior del extremo de una

fibra conectada a un dispositivo en su otro extremo. Tampoco mirar directamente

hacia el interior del puerto de transmisin en un equipo.


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1.3 CARACTERSTICAS DE LOS EQUIPOS DE MONITOREO EN UNA

RED PTICA

1.3.1 Reflectometro ptico en el Dominio del Tiempo (OTDR)

Este instrumento ptico se utiliza para medir atenuaciones en la fibra como por

ejemplo: atenuacin en empalmes y conectores. Tambin es muy utilizado para

medir la distancia a la que existe un corte (fin de fibra), o la distancia total de un

enlace ptico.

Principio de funcionamiento:

El OTDR es un instrumento de medicin que emite pulsos de luz, a una longitud de

onda determinada (ejemplo 1550 nm), para luego medir sus ecos, o el tiempo que

tarda en recibir una reflexin producida a lo largo de la fibra ptica. La luz se refleja

debido al efecto backscattering; el cual se origina cuando la energa de la luz es

dispersada en todas direcciones dentro de la fibra, algunos de los rayos de luz

escapan del ncleo de la fibra pero una pequea porcin de esta energa retorna por

el ncleo, este efecto es conocido como backscattering.

Grfico 1.21: Backscattering

La seal reflejada que se muestra en el equipo de medicin es una exponencial

decreciente, con picos producidos por reflexiones en conectores y desniveles

causados por empalmes y fallos en la fibra.


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Grfico 1.22:Curva del OTDR

Por lo tanto este instrumento de medicin nos permite visualizar de manera tcita lo

siguiente: La atenuacin.

La posicin de fallos en trminos de distancia desde un punto definido.

La atenuacin en proporcin a la distancia (dB/Km).

La reflectancia de un evento o lnea ptica.

Elementos bsicos de un OTDR

Como se puede observar en la siguiente figura un equipo OTDR est compuesto de

los siguientes elementos.

Grfico 1.23: Bloques de un OTDR


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Generador de impulsos

El generador de pulsos tiene la funcin de controlar al diodo lser, que enva pulsos

de luz (entre 10 mW a 1 W de potencia) a la fibra. Estos pulsos pueden tener un

ancho en el orden de 2 ns a 20 s y una reproduccin de algunos kHz.

La duracin del pulso (ancho de pulso) puede ser seleccionada por el operador para

diferentes condiciones de medida. La reproduccin de los pulsos se controla de tal

manera de que un pulso que se envo, pueda retornar antes de que se enve un

segundo pulso.

Diodo lser

La funcin de los diodos lser es emitir un haz de luz a una longitud de onda

determinada, sta longitud de onda est normalizada por ejemplo, las longitudes de

onda son: 850 nm, 1300 nm para fibra multimodo, y 1310nm, 1550 nm para fibra

monomodo.

Tambin existen diodos lser de 1625 nm que son en ocasiones utilizados,

particularmente en sistemas de monitoreo remoto que tienen trafico. El propsito de

utilizar 1625 nm es para evitar la interferencia con el trfico de 1310 y 1550nm.

Fotodiodo

Los fotodiodos estn diseados para medir los niveles extremadamente bajos de

backscattering, a 0.0001% de lo que se enva por el diodo lser. Los diodos tambindeben detectar la potencia relativamente alta de los pulsos reflejados de luz. Esto

causa algunos problemas cuando analizamos los resultados de un OTDR.

Base de tiempo y unidad de control

La base de tiempo controla el ancho del pulso, el espaciamiento entre los pulsos

subsecuentes y la seal de prueba.


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La unidad de control es el cerebro del OTDR. Este toma todos los puntos de

adquisicin, realiza el promedio, los traza como una funcin logartmica de tiempo y

muestra los resultados en la pantalla del OTDR.

Caractersticas de un OTDR

Rango dinmico

Determina la mxima longitud observable de una fibra y por consiguiente la

conveniencia del OTDR para analizar cualquier red en particular. Este rango

dinmico es relativamente difcil de determinar, ya que ningn fabricante usa un

mtodo computacional normalizado.

Definiciones de Rango Dinmico:

IEC 61746: Rango Dinmico es la diferencia (en dB) entre el nivel que contiene el

98% de los puntos de datos del ruido, despus de un promediado de 3 minutos.

RMS: Rango Dinmico es la diferencia (en dB) entre el nivel extrapolado deretrodispersin al principio de la fibra y el nivel de ruido RMS, despus de un

promediado de 3 minutos.

Grfico 1.24: Rango Dinmico


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Zona muerta

La zona muerta es un estado de saturacin del fotodiodo, se da cuando la potencia

que recibe el fotodiodo llega a ser 4000 veces superior que la potencia de

backscattering. Este elemento requiere un tiempo de recuperacin para esta

condicin de saturacin lo cual provoca que durante este perodo el OTDR sea

incapaz de detectar con precisin la seal de backscattering.

En un OTDR se especifican dos tipos de zona muerta:

Zona muerta de atenuacin

Zona muerta de evento

La zona muerta de atenuacin para una reflexin o un evento de atenuacin es la

regin luego del evento donde el rastro desplegado se desva ms del rastro de

backscattering en un valor dadoF (usualmente entre 0.5 dB y 0.1 dB).

Grfico 1.25: Zona Muerta

La zona muerta de evento es la mnima distancia en la traza, donde dos eventos

separados pueden todava ser distinguidos. La distancia de cada evento puede ser

medida, pero la perdida de separacin de cada evento no puede ser medida.


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Este parmetro usualmente indica la mnima distancia en el orden de distinguir entre

un evento reflectivo que ocurre en la proximidad.

Para un evento reflectivo, la zona muerta de evento se define como la distancia entre

los dos puntos opuestos que son 1.5 dB abajo del punto de no saturacin.

Para un evento no reflectivo, la zona muerta de evento puede ser descrita como la

distancia entre los puntos donde empieza y acaban los niveles de un empalme o un

valor dado entre 0.1 dB de sus valores iniciales y finales.

Reflectancia

Se define como la relacin entre la potencia reflejada por el elemento y la potencia

incidente.

La reflectancia es una caracterstica que permite la cuantificacin del coeficiente de

reflexin de un elemento ptico reflector.

El OTDR esta adaptado a las medidas de reflectancia en lneas de fibra, se mide la

amplitud de reflexin de Fresnel generada y luego el resultado es convertido en

reflectancia.

La frmula de conversin tiene en cuenta:

La amplitud de la reflectancia medida

El ancho del impulso utilizado para medir la amplitud de la reflectancia (ns). El coeficiente de reflectancia de la fibra utilizada.

Los valores tpicos de coeficiente de reflectancia para un impulso de 1ns:

Para fibra monomodo: -79 dB a 1310 nm -81 dB a 1550 y 1625 nm

Para fibra multimodo: -70 dB a 850 nm -75 dB a 1300 nm


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1.3.2 Medicin de potencia en fibra ptica

Fuentes y detectores

Las fuentes de luz cumplen con la propiedad de convertir la energa elctrica en

energa ptica (estable). La energa de luz se transmite como paquetes discretos de

energa llamados fotones. Las dos fuentes de luz ms utilizadas en sistemas de

comunicaciones por fibras pticas son el LED y el diodo de inyeccin lser (ILD).

Ambos son fabricados desde el mismo componente base, y sus estructuras de juntura

son similares, pero difieren considerablemente en su performance. Los LEDs son

menos eficientes que los ILDs pero son ms baratos. El ancho de banda de un ILD es

mucho ms angosto que el de un LED, y la salida de la luz tiene un cono de emisin

muy angosto, por ello los ILDs son especialmente utilizados en fibras de dimetro

pequeo (aplicaciones de modo simple). Como dato, la eficiencia de acoplamiento de

un LED es del orden del 2%, mientras que en un ILD es mejor al 50%.

Para sistemas operan en la regin de los 820nm la mnima atenuacin esperable es

del orden de los 3dB/km. Trabajando a unos 1300nm, se logra bajar esta atenuacin a

0.5dB/Km, pero cabe aclarar que en este caso, las fuentes y los detectores pasan a ser

el cuello de botella en la evaluacin de las prdidas. Los detectores ms comunes son

los fotodiodos, tanto los PIN (material intrnseco entre la juntura pn), como los de

avalancha (APD). Ambos trabajan polarizados en inversa. Un fotodiodo puede

considerarse como un contador de fotones, luego la potencia en watts puede

obtenerse multiplicando esa cuenta por la energa de un fotn.

fcE

Ecuacin 1.5

Donde:

E= engra del fotn

= constante de Planck: 6.63x10-34W/s2

c= velocidad de la luz: 3 x 108m/s

= longitud de onda

f= frecuencia


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El nmero de fotones por segundo N para una fuente de luz de potencia p es:

f

p

E

pN

Ecuacin 1.6

Se define como eficiencia cuntica a la relacin entre el nmero promedio de

electrones liberados para la conduccin y el nmero de fotones incidentes. Un

fotodiodo muy eficiente podra tener valores de cercanas a 1.

Si a la ecuacin anterior la afectamos de la eficiencia cuntica, obtenemos los

electrones por segundo, y si adems multiplicamos por la carga del electrn Q,

obtenemos la corriente real en amperes:

c

QpI

Ecuacin1. 7

Donde:

Q = carga del electrn: 1.6 x 10-19Coulombs

Entonces la foto corriente de un fotodiodo es proporcional a la potencia incidente,

pero tambin a la longitud de onda; como consecuencia los medidores de potencia se

deben calibrar para una longitud de onda especfica.

Medidor de Potencia ptica

Existen dos tipos de mediciones de potencia ptica: mediciones de potencia absoluta,

y mediciones de potencia relativa. Las absolutas son realizadas cuando se miden

directamente fuentes, amplificadores, y receptores, en cambio, en las relativas se

miden las prdidas, atenuaciones, o ganancias en una red de fibra ptica. Las

mediciones relativas se expresan habitualmente en decibeles (dB), y las absolutas en

dBm (referidas a 1 miliwatt de potencia).


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Para realizar una medicin de las prdidas pticas, primeramente se transmite un

nivel de luz conocido con una fuente de luz directamente a un medidor de potencia

ptica sin el enlace a medir, este nivel se considera como nivel de referencia. Luego

se intercala el sistema a medir y se mide la potencia de la seal recibida, la diferencia

entre esta potencia y la de referencia corresponde a las prdidas del enlace.

Principio de Funcionamiento

En un medidor de potencia ptica, bsicamente se convierte el valor de la corriente

generada por el fotodiodo en un valor de tensin, por medio de un amplificador.

Luego, para evitar eventuales voltajes de ruido para bajas potencias, se coloca un

filtro pasa bajo, y por ltimo se inserta este valor en un voltmetro digital.

Para que las medidas realizadas sean exactas se requieren las siguientes condiciones:

Utilizar una fuente de luz estable respecto al tiempo y la temperatura.

Verificar que las conexiones, las fibras y las clulas receptoras estn

perfectamente limpias.

Utilizar una lnea de referencia entre la fuente del lser y el elemento bajo

prueba. Para realizar varias mediciones con las mismas condiciones de

eyeccin de luz, la fibra de referencia no debe desconectarse durante el

periodo de medida.

1.3.3 Medidor de Potencia ptica Inalmbrico

La empresa canadiense Oz Optics lanz al mercado un conjunto de sensores que

permiten realizar mediciones de forma remota sobre las seales que viajan por las

fibras pticas empleando tecnologa inalmbrica. La cabeza sensora, llamada

"Wireless Fiber", consiste bsicamente en un fragmento de fibra, un fotodetector y

un radiotransmisor, todo ello integrado en el espacio de una caja de cerillas. En el

tramo de fibra se encuentra impresa una red de difraccin de Bragg que refleja en


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torno al 1% de la seal ptica hacia el fotodiodo de InGaAs, donde se realiza la

medida y se transmite de forma inalmbrica.

El alcance de la comunicacin puede ser desde 10 m hasta ms de 1 Km. empleando

tecnologas inalmbricas tales como Bluetooth o Wi-Fi. De este modo, el usuario

puede equipar su telfono mvil, PDA u ordenador porttil con un receptor

inalmbrico USB/SDIO para mostrar las medidas de potencia.

Grfico 1.26: Medidor de Potencia ptica Inalmbrico

Fuente: http://www.encarta.msn.es

El verdadero potencial de esta tecnologa se encuentra en que pueden instalarse deforma permanente miles de estos sensores en puntos concretos de una red ptica,

permitiendo un proceso automtico de monitorizacin. Cada uno de estos sensores

puede direccionarse de forma individualizada, y adems las comunicaciones pueden

codificarse para evitar lecturas no autorizadas. Todo esto facilita enormemente el

trabajo de los ingenieros que deben controlar el funcionamiento de una red FTTH

(fiber to the home), ya que pueden recorrer el vecindario con un dispositivo

inalmbrico y monitorizar de forma automtica los niveles de potencia ptica detodos aquellos nodos que se encuentren instalados.

Mediante unos pequeos cambios, como por ejemplo incorporando redes de Bragg

adicionales, los sensores pueden permitir medidas ms complejas de longitudes de

onda o de polarizacin de las seales.

capitulo 1 fibra optica

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