comunicacion opticas 3

8/17/2019 Comunicacion opticas 3

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UTA – FISEI – CARRERA DE ING. ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES

COMUNICACIONES ÓPTICAS

Ing. Juan Pablo Pallo Noroña, Mg. 1

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA EINDUSTRIAL

Carrera de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones


PROFESOR:

Ing. Juan Pablo Pallo Noroña, Mg.


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CAPÍTULO III

TEMA:

COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICOS

OBJETIVOS:

Conocer acerca de los sistemas de comunicación de fibra óptica, componentes y clasificación.

Específicos

Determinar la clasificación de los dispositivos de una red de comunicación por fibra óptica,

su aplicación e importancia.

Conocer el funcionamiento de los dispositivos activos y pasivos de un sistema de

comunicación óptico.

INTRODUCCIÓNEn un sistema de comunicación por fibra óptica intervienen varios equipos, así como conectores,

empalmes y otros elementos que interactúan entre sí para llevar la información de un lugar a otro

por medio de la fibra óptica. En este capítulo se describirá los distintos componentes de un

sistema de fibra óptica, sus características, su modo de funcionamiento y ciertas referencias

comerciales. Iniciaremos con el estudio de los tipos de fibra óptica, conectores, cables, filtros,

amplificadores detectores, transmisores entre otros.

FIBRA ÓPTICAComo se observó en el capítulo I y II, la fibra óptica es un medio de transmisión físico, por el cual

se propaga un rayo de luz desde un transmisor óptico hacia un receptor. En el camino de

propagación del rayo de luz se encuentran conectores de los cables, empalmes, filtros,

amplificadores, cada conexión de la fibra óptica implica que se suma pérdidas en la señal y los

amplificadores nos permiten amplificar la señal pero también se amplifica el ruido que esta

contenga. Tenemos el factor ruido que siempre permanecerá presente en todo enlace o en

cualquier sistema de comunicación sea esta alámbrico o inalámbrico.

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

Dentro del cable de fibra óptica la luz se propaga gracias a reflexión y/o refracciones sucesivas,según el modo de propagación, nos encontramos con dos tipos de fibra óptica, tenemos la fibra

óptica monomodo y fibra óptica multimodo

Fibra monomodoMonomodo (Single Mode o SM), en este tipo de fibra solo se propaga un solo rayo de luz, su

transmisión es de forma paralela al eje de la fibra, su principal característica y ventaja sobre la

fibra multimodo, es que esta clase de fibra permite la trasmisión de información a elevadas


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velocidades y alcanzando grandes distancias. En este tipo de cable generalmente se observa entre

sus características 9/125 ; donde 9 es el diámetro del núcleo y 125 es el diámetro del

revestimiento. [10]

Figura 3.1: Propagación en la fibra óptica monomodo

Fibra multimodoEn este tipo de propagación los haces de luz pueden circular por más de un camino, es decir,

tienen más de una trayectoria, esto implica que no todos los rayos llegan al mismo tiempo alfinal de la fibra.

Generalmente son usadas en aplicaciones de corta distancia (menores a un 1km); su principal

problema es la dispersión; dentro de estas fibras tenemos de dos tipos:

50/125 , 50 de diámetro de núcleo y 125 de diámetro del revestimiento.

62,5//125 , 62,5 de diámetro de núcleo y 125 de diámetro del revestimiento.

Debido a que su diámetro del núcleo es mayor a que los de la fibra monomodo, es mas fácil de

acoplar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

Figura 3.2: Propagación en la fibra óptica multimodo.

CONECTORES DE FIBRA ÓPTICA

Son elementos pasivos dentro de los sistemas de comunicaciones ópticas, son indispensables yaque permiten acoplar la fibra óptica a los distintos equipos y otros dispositivos o a otras fibrasópticas. Permite el alineamiento y unión temporal y repetitiva de la fibra óptica.


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Según las aplicaciones que vayamos a implementar en la fibra óptica, se deberá elegir el tipo defibra óptica ya sea multimodo y monomodo así como su respectivo conector. Las diferentescaracterísticas de las fibras y las aplicaciones para las que se requieren, dan lugar a la creación degamas especiales de conectores y sub-gamas de estas. [11]

Tipos de conectores de fibra óptica

Existen diversos tipos de conectores para fibra óptica, a continuación se detallan los más usados(principales).

Conector FC.

Es un conector Monomodo, es uno de los más populares, utiliza una férula de 2.5mm, se atornillanfirmemente para asegurarse que no se mueva ni se desalinee su férula es de acero inoxidable.

Actualmente está siendo reemplazado por los SCs y los LCs.

Figura 3.3: Conector FC.

Conector LC

Lucent Connector or “Littlie Connector” ó Conector pequeño. El conector LC es un conector con

factor de forma pequeña que utiliza una férula de 1.25 mm., de la mitad del tamaño que el SC.

Es un conector que utiliza en forma estándar una férula cerámica, de fácil terminación concualquier adhesivo. De buen desempeño, altamente favorecido para uso monomodo.Los conectores LC, MU y LX-5 usan la misma férula pero los adaptadores para interconectarlos noson fáciles de encontrar.

Figura3.4: Conector LC.


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Usado en Trasceivers y equipos de comunicación de alta densidad de datos, en redes LAN y WAN,es para todo tipo de fibras, se encuentra disponible en formato simple y dúplex.Tolerancia en diámetro capilar de 125 -0/ μm Diámetro férrico de 1.25±0.001mmPre-radiado, extremo PC para contacto físico entre punto férrico y punto férrico. R entre 10 y

25mmMecánica: En 2 y 3mm, Azul, rojo, negro, marfil, amarillo y verde.Disponible en versiones monomodo en UPC y APC al igual que en multimodo.Diseñados para cables de 900μm, 2 y 3mm.

Figura 3.4: Conector doble tipo LC

MONOMODO MULTIMODOTipo de pulido Pérdidas de

InserciónPérdidas de

RetornoPérdidas de


Rretorno

Pulido PC < 0,4 dB (típico0,2dB)


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Figura 3.5: Conector SC

Posee una tolerancia en diámetro capilar en fibras monomodo de – 125 -0/+1 μm y multimodo de – 126 -0/+2 μm.Diámetro férrico: 2.5±0.001 mmPre-radiado, extremo PC para contacto físico entre punto férrico y punto férrico. R entre 10 y 25mm. [12]

MONOMODO MULTIMODOTipo de pulido Pérdidas de


RetornoPérdidas de


Rretorno

Pulido PC < 0,4 dB (típico0,2dB)


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Figura 3.6: Conector ST.

Sistema de acoplación tipo bayoneta.Posee una ferrule de cerámica de alta precisión de 2.5mm.Acabado en metal resistenteinoxidable.Ofrece baja pérdida de inserción, retorno y reflexión trasera. [13] [14]

Conectores y Adaptadores Comerciales

CABLES DE FIBRA ÓPTICALos cables no solo se clasifican por el tipo de trayectoria que la luz toma dentro de ellos, es decir

en mono-modales y multi-modales, también tenemos una característica muy importante que es el

perfil de índice, este puede ser graduado o escalonado.

Perfil de Índice: representa el índice de refracción en la sección transversal de la fibra ypuede ser de dos tipos, escalonado o graduado. Una fibra con índice escalonado tiene un

núcleo central con índice de refracción uniforme; a la vez este núcleo está rodeado por un

revestimiento, igual con un índice de refracción uniforme pero menor que el del núcleocentral. En una fibra de índice graduado no hay revestimiento como en el caso anterior, es

graduado debido a que el índice de refracción es máximo en el centro y disminuye en

forma gradual de acuerdo con la distancia hacia la orilla del núcleo, es decir, el índice de

refracción no es uniforme en el núcleo. [4]

De acuerdo a la definición de perfil de índice, encontramos tres tipos de fibras:

Fibra monomodo de índice escalonado.

Fibra multimodo de índice escalonado.

Fibra multimodo de índice graduado.


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Figura 3.7: Fibra monomodo de índice escalonado.

Figura 3.8: Fibra multimodo de índice escalonado.

Figura 3.9: Fibra multimodal de índice graduado.

Según el tipo de uso que se le dará a la fibra encontramos tres tipos:

Fibra para interiores.

Fibra para exteriores: En redes de acceso para el servicio de comunicaciones, puede ser

enterrado, canalizado o aéreo.

Fibra para instalación submarina: Posee características especiales que la hacen resistente

a las presiones submarinas.

Además los cables de óptica pueden ser de dos tipos:


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Mono-fibra: En su interior posee un solo hilo de fibra óptica, se la encuentra comúnmente

en los hogares.

Multi-fibra: En su interior posee varios hilos de fibra óptica, se la encuentra comúnmente

en las instalaciones y redes de acceso al servicio de telecomunicaciones.

CABLES COMERCIALES

ACOPLADORES Y OTROS COMPONENTES ÓPTICOS PASIVOSLas redes de fibra óptica están formadas por componentes ópticos pasivos y activos, los

conectores y acopladores es uno de los componentes ópticos pasivos, mientras que el equipo

transmisor y receptor son componentes activos; la diferencia radica en que los componentes

ópticos pasivos no requieren de una fuente de alimentación externa para su funcionamiento.

Mientras menos número de componentes ópticos activos requiera una red, menor será el costo de

su funcionamiento, es esto lo que se busca en la actualidad.

FundamentosLos componentes pasivos son todos aquellos elementos que no requieren de una fuente de

alimentación externa para su funcionamiento, entre ellos tenemos [15]:

Conectores

Acopladores

Empalmes de fusión.

Aislador

Filtro óptico.

Circulador óptico, entre otros.

Acoplador estrella pasivo (psc)Passive Star Coupler. Un Acoplador en Estrella Pasivo es un dispositivo de N puertos de entrada

que, idealmente, reparte equitativamente la potencia óptica de entrada para sus N puertos de

salida. Nace de la construcción concatenada de acopladores 2x2.

Para construir un PSC de N puertos se necesitan acopladores 2x2.

La implementación de acopladores ópticos en estrella surgen de la necesidad de integrar varios

servicios (voz, video, datos, etc.) dentro de las redes LAN.

Para muchas de las aplicaciones la concatenación de acopladores 2x2 puede ser muy extensa, por

lo que conviene adquirir un dispositivo económico que posea un mayor número de puertos,

menor número de interconexiones y una mínima pérdida de potencia (Acoplador estrella pasivo).

[16] [17]


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Figura 3.10: PSC construido mediante la concatenación de acopladores 2x2.

Interferómetro de Mach-Zender (MZI)Consta de dos acopladores bidireccionales interconectados mediante dos caminos de diferentes

longitudes, la ingresar una señal por cualquiera de sus entradas, ésta se divide en dos replicas

iguales al atravesar el splitter; debido a la diferencia de las longitudes en los caminos, existirá un

desfase en una de las réplicas; dependiendo de las características de la señal, este desfase tendrá

un efecto constructivo o destructivo en la salida al recombinarse la señal. [18]

Se lo puede usar como:

Filtro: si tiene una entrada y una salida.

Multiplexor: si tiene de dos entadas y una salida.Demultiplexor: si tiene una entrada y dos salidas.

Figura 3.11: Interferómetro de Mach-Zender.


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Arraged Waveguide Grating (AWG)Es análogo al interferómetro de Mach-Zender, en sí es una forma generalizada del MZI, sino que

en lugar de disponer de dos caminos, existe diversidad de caminos. Al igual que el MZI, este puede

utilizarse como multiplexor o demultiplexor.

Figura 3.12: Arraged Waveguide Grating (AWG).

Aislador Óptico y Circulador Óptico

Aislador óptico

Los aisladores ópticos son dispositivos que permiten en paso de la luz en una única dirección,

evitan que las reflexiones de las señales alcancen a otros dispositivos y puedan dañarlos como por

ejemplo a los mismos transmisores.

La luz puede entrar al dispositivo por la derecha o izquierda. La luz de entrada no está polarizadaasí que al encontrarse con el primer polarizador sólo pasará la polarización vertical. Luego, elrotador de Faraday gira 45º a la derecha, el segundo polarizador transmite la luz cuya polarización

esté 45º desplazada hacia derecha respecto de la vertical. Como este es el caso la luz sale delaislador. En caso de que la señal entre por la derecha del aislador óptico, el polarizador número 1transmite la luz polarizada verticalmente y la señal llega a éste con polarización horizontal, por loque queda bloqueada, evitando que la luz regrese al transmisor.

Figura 3.13: Esquema de un aislador óptico.


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Circulador óptico

Es un acoplador direccional, este dispone de 3 o 4 puertas. La pérdida por inserción entre puertas

P1-P2, P2-P3, P3-P1, es cercana a 1db y la perdida por aislación entre las puertas P1-P3, P3-P2, P2-

P1 es de 25 dB mientras que la pérdida de retorno de cada puerta es de 50dB.

Es un aislador óptico controlado, este tipo de acoplador permite la transmisión bidireccional por lamisma fibra, la desventaja es que se tiene una elevada atenuación en los extremos, por lo que solo

se le debe utilizar en aplicaciones con cortas distancias.

Figura 3.14: Circulador óptico.

FILTROS ÓPTICOSLos filtros ópticos son dispositivos que solo permiten en el paso de la luz que cumpla con ciertas

características predefinidas y eliminar el resto. Es un dispositivo clave dentro de los sistemas

ópticos. Una de sus aplicaciones es el de la eliminación del ruido, ecualizar la respuesta de los

amplificadores ópticos y la selección de canales en sistemas WDM ya que es capaz de seleccionar

una banda de longitudes de onda y eliminar las señales que no correspondan a dicha banda.

Filtros de interferencia

Si entre dos capas con índice de refracción diferente, se coloca un separador transparente y

delgado (substrato de cristal), la diferencia en los índices de refracción provocará reflexión. Son

filtros selectivos para una estrecha banda de frecuencias.

Solo pasarán las señales con longitudes de onda permitidas y desechará al resto. Las longitudes de

onda transmitidas vienen dadas por la siguiente expresión.

Donde:

número entero.

índice de refracción de la capa.

grosor de la capa.

: ángulo de incidencia de la luz.


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Estos dispositivos son diseñados para una incidencia normal, pero conforme que la luz incide de

forma inclinada, las longitudes de onda tienden a ser desplazadas hacia valores menores. [19]

Filtro Fabry PerotSe construye recubriendo ambos lados de una lámina de floururo magnésico (éste es un

dieléctrico transparente) con dos finas capas de plata semirreflectante. El grosor del dieléctrico

debe ser la mitad de la longitud de onda que se desea hacer pasar. El rayo de luz que entra en el

dieléctrico es reflejada entre las dos capas, obteniéndose una superposición de ondas en el

dieléctrico debido a que las dos capas son paralelas. La interferencia resultante da lugar a la

eliminación de prácticamente todas las longitudes de onda, excepto algunas bandas estrechas que

se transmiten. La longitud de onda de los máximos de intensidad transmitidos por el filtro de

interferencia pueden calcularse a partir de [20]

Donde:

: Es el índice de refracción del material dieléctrico.

Anchura de la capa del dieléctrico.

Orden de interferencia.

Figura 3.15: Filtro de Fabry-Perot.

Filtro Mach Zender

Este filtro está compuesto por dos acopladores de -3dB y dos tramos de fibra de diferentelongitud, el substrato empleado es normalmente silicio y las regiones de la guía de ondas son deSiO2 , el cual tiene un elevado índice de refracción.


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Figura 3.16: Filtro Mach Zender.

Al aplicar una señal de entrada, al llegar ésta al primer acoplador direccional, su potencia se dividepor igual entre el brazo de arriba (de longitud L ) y el de abajo (de longitud L+ΔL). Tras propagarsea lo largo de los brazos, las señales llegan al segundo acoplador direccional. La diferencia de faserelativa total entre las dos señales en la Salida 1 es de π/2 + βΔL + π/2. Para la Salida 2, la señal

transmitida por el brazo superior tiene un cambio de fase de π/2 , resultando una diferencia defase relativa total entre las dos señales de:

Las señales que pasan de la Entrada 1 a la Salida 1 son las que tienen un βΔL = k π siendo k impar ylas señales que pasan de la Entrada 1 a la Salida 2, son las que tienen un βΔL= k π siendo k par..

Filtro sintonizable óptico

Este tipo de filtro permite sintonizar o elegir la banda de longitudes de onda que deseamos hacer

parar por el filtro y desechar a las señales que no corresponden a la elección del operario.

Cuando un canal es ajustado al dispositivo, se usa interferencia constructiva para reforzar la señaly enviarla al bloque receptor, a las señales que no pertenecen a la banda ajustada, son atenuadasa niveles despreciables usando interferencia destructiva.

Figura 3.17: Filtro Sintonizable. [21]


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ACOPLADORESEstos dispositivos ópticos pueden separar longitudes de onda. La cantidad de luz que puedentransferir entre las fibras fundidas depende de la longitud de la región de acoplamiento y de laslongitudes de onda

La luz entra por la fibra y gradualmente se transfiere hacia la fibra inferior, de forma que si lalongitud es lo suficientemente larga toda la luz se transfiere a la fibra inferior.

Figura 3.18: Acoplador óptico divisor de 1 a 8.

DETECTORESLos receptores ópticos son aquellos elementos de la red que detectan la señal luminosa y la

transforman en señales eléctricas. Para la detección de las señales luminosas, cada receptor

deberá disponer de un fotodetector, éste es el encargado de la transformación.

En los sistemas de comunicaciones ópticas, encontraremos fotodiodos PIN y ADP, que será

requeridos de acuerdo a la fuente luminosa de donde proviene la información.

Se necesita que estos cumplan con los siguientes requerimientos:

Alta sensibilidad.

Bajo ruido interno.

Posea un buen acople con la fibra óptica.

Bajo costo.

Fundamentos de los fotodiodosUn fotodiodo es un diodo de unión PN, el cual permite que la radiación luminosa incidente,

ingrese en el interior del semiconductor, generando una corriente, la misma que es directamenteproporcional a la intensidad de dicha radiación, esta corriente se le suma a la corriente normal del

diodo.

Una característica fundamental del fotodiodo es su respuesta espectral, es decir, la gama de

longitudes de onda a las cuales el diodo es sensible y da como respuesta una salida.


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En el mercado se pueden encontrar fotodiodos que detectan radiación infrarroja, ultravioleta y

diversos márgenes del espectro de luz visible. La sensibilidad del fotodiodo depende del ángulo

con el que la luz incide. [22]

Figura 3.18: Símbolo fotodiodo.

Efecto fotoeléctrico: Al ingresar la luz en el material intrínseco, agrega la energía suficiente para

que los electrones pasen de la banda de valencia a la de conducción, esto provoca huecos en labanda de valencia; para esto se necesita absorber luz con la energía suficiente para que estos

salten la banda prohibida.

Banda prohibida para el silicio: 1.12 electrón voltios (eV).

Eg representa la energía cinética.

También sabemos que la energía:

Donde es la constante de Planck ( ) y es el valor de la frecuencia en Hertz.

Hallando la frecuencia y longitud de onda para el silicio.

Para que pasen los electrones la banda prohibida del silicio, se requiere que la frecuencia de la luz

incidente sea mayor a la demostrada y que las longitudes de onda sean menor a la indicada.

Durante el desarrollo de este capítulo se hablará de ciertas características de estos detectores,

aquí se muestran el significado de ellas:

Responsividad: Eficiencia de conversión de un fotodetector.

Corriente oscura: Corriente presente cuando no hay fuente luminosa.


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Tiempo de tránsito: tiempo que tarda un portador inducido en cruzar la región de

agotamiento.

Respuesta espectral: Intervalo de longitudes de onda con el que trabaja determinado

fotodiodo.

Sensibilidad: Potencia óptica mínima que debe recibir el fotodetector para producir una

señal eléctrica útil a su salida.

Fotodiodos PIN

En un fotodiodo p-i-n, como su nombre indica, intercala un material intrínseco en la unión p-n. Deesta sencilla forma se incrementa la región de deplexión. Al incrementar esta región, seincrementa la responsividad pues el número de fotones absorbidos en esta zona aumenta. Comoaumenta R, también se incrementa la eficiencia del fotodiodo. En cambio el tiempo de respuestaaumenta ya que los electrones y huecos generados por la absorción tardan más tiempo en cruzar

la región de deplexión.

Un fotodiodo p-i-n de uso común, es el fotodiodo p-i-n de InGaAs.

Figura 3.19: Fotodiodo PIN.

Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs

Longitud deonda

0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad R A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-0.9

Eficiencia H % 75-90 50-55 60-70

Corriente deoscuridad

nA 1-10 50-500 1-20

Tiempo desubida

Tr Ns 0.5-1 0.1-0.5 0.05-0.5

Ancho debanda GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-5

Tabla 3.3: Cuadro comparativo de fotodetectores PIN.

Fotodiodo de avalanchaPoseen una responsividad mayor que los fotodiodos PIN. Como sabemos todos lo fotodiodos

requieren de una potencia óptica mínima para su funcionamiento. Los fotodiodos con una

responsividad alta requerirán de una menor potencia óptica para trabajar correctamente.


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Su principio de operación radica en el proceso de ionización por impacto, por el cual, un portador

ya sea electrón o hueco, al ser acelerado por el campo eléctrico, tiene la probabilidad de adquirir

la suficiente energía cinética, para en su impacto sobre la red cristalina, originar un nuevo par

electrón-hueco. El principal inconveniente de los ADP es su menor velocidad a causa de sus

múltiples ionizaciones, por las cuales se dilata el tiempo de respuesta y posee un mayor ruido que

los PIN. [23]

Figura 3.20: Fotodiodo de avalancha ADP.A continuación se muestra un cuadro comparativo de los ADP según su material constitutivo.

Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs

Longitud deonda

0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad R A/W 80-130 3-30 5-20

Ganancia ADP M - 100-500 50-200 10-40

Corriente deoscuridad

nA 0.1-1 50-500 1-5

Tiempo de

subida

Tr Ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5

Ancho debanda

GHz 0.2-1.0 0.4-0.7 1-3

Tabla 3.4: Cuadro comparativo de fotodetectores ADP.

TRANSMISORESSon elementos activos de la red. El transmisor, es el equipo encargado de pasar la señal eléctrica a

óptica y de emitirla por el medio de transmisión. Esencialmente existen dos tipos de emisores

ópticos utilizados en los sistemas de comunicación por fibra y son los emisores de luz no

coherente conocidos como diodos LED; y los emisores de luz coherente que vienen a ser lo diodo

láser.

Ganancia óptica

La ganancia óptica es una propiedad que adquieren los materiales semiconductores cuando enellos se produce una emisión estimulado al invertir la población, esta emisión debe predominar ala emisión espontánea.


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Para que se produzca esto, la densidad de portadores introducidos en la zona activa debe superarel valor de transparencia (n0).

Esto se logra al inyectar electrones a una unión P-N polarizada en directa. La ganancia del material,siendo sus unidades de inverso de longitud (normalmente cm-1) que se obtiene a partir de la

siguiente ecuación:

Dónde:

Representa la velocidad de grupo en el material que forma parte de la zona

activa.

son las tasas de emisión estimulada y absorción en el material de la

zona activa.

Realimentación y efecto umbralCualquier láser está formado por al menos tres elementos fundamentales: un medio activo, unsistema de bombeo y una cavidad resonante. El medio activo es el material que se emite la luz. Elsistema de bombeo se encarga de la excitación del medio activo. Para obtener el haz de luz, elmedio activo se coloca entre dos espejos que forman una cavidad resonante, esto es, la luz rebotaentre los dos espejos y ayuda a la amplificación, uno de los espejos es semi-reflectante por lo queparte de la luz amplificada sale de la cavidad resonante en forma de haz.

Es necesario promover la emisión estimulada a expensas de la emisión espontánea. Si esto no selogra, puede radiar espontáneamente en tantas direcciones que sería imposible mantener la

emisión estimulada. La realimentación óptica hace que el haz estimulado pasa de ida y vueltavarias veces, permitiendo que estimule emisión adicional. Se desea que la ganancia del sistemasea positiva. Esto se logra restringiendo el medio láser entre dos espejos, uno totalmentereflejante y el otro parcialmente reflejante.

Efecto umbral: El cambio fraccionario en potencia por unidad de longitud L de la trayectoria delhaz puede definirse en términos de un coeficiente de ganancia g de pequeña señal del m. Laexistencia de este coeficiente de ganancia umbral implica que existe un valor mínimo de inversiónde poblaciones que debe establecerse antes de proceder con la acción láser. Este valor mínimo sedenomina inversión de poblaciones umbral.

Las características más importantes de un transmisor óptico son:

La potencia óptica emitida. Tamaño similar al de la fibra (10 - 100) um. Modulación fácil con una señal eléctrica. Alcance a altas velocidades. Linealidad para evitar distorsiones armónicas y de intermodulación.

Acoplamiento eficiente, alta potencia. Bajo peso, bajo costo y alta confiabilidad.


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Ancho Espectral (Distorsión cromática).

Existen dos opciones de fuentes semiconductoras para ser utilizadas en fibras ópticascomo emisores de luz.

LASER: (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation), (Amplificación deluz por emisión estimulada de radiación)

LED (Light Emiter Diodo)

a. Laser de inyección o diodo laser (LD)

Se utiliza para alimentar fibras monomodo, debido a su gran monocromaticidad(anchura espectral reducida), y a que su frecuencia de modulación puede ser muyelevada.

Potencia de salida: 20 mW. Frecuencia de modulación: Hasta 10 GHz.

Anchura espectral: 0.7 nm. Manejo de velocidades binarias mayores. Mayor potencia de salida. Mayor eficiencia de acoplamiento a la fibra. Usos de 1310 y 1550 nm.

Fuente coherente.

Vida estimada: 100 000 horas.

Requiere enfriamiento y control de potencia

Equipo caro.

Esquema de un laser de inyección.

b. Fotodiodo emisor de luz (LED):

Se utiliza en fibras multimodo. Potencia de salida: 1 mW.

Frecuencia de modulación: Hasta 50 MHz.

Anchura espectral: 50 nm.

Potencia baja acoplada

Mejor linealidad, mayor confiabilidad. Costo menor. Usos de 850 y 1310 nm.


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Fuente incoherente.

Vida estimada 1 000 000 horas.

Esquema de un diodo emisor de luz LED.Ejemplos de fuentes:

Módulo integrado de láser.

Laser tipo DFB (Distributed Feedback), 1550 nm, buena potencia. Para fibra monomodo. Diseñado para aplicaciones analógicas con modular externo. Empaquetamiento de mariposa o dual –in line.

Laser DFB.

Laser de hasta 10 dBm.

Para fibra monomodo. Seleccionarse a 1310, 1550 nm Con modulador externo.


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Laser con modulador externo.

CONMUTADORESUn conmutador es un dispositivo capaz de direccionar distintos canales ópticos a diferentes

lugares de forma dinámica, evitando pasarlos al dominio eléctrico para su conmutación.

Consideraciones generalesUna característica importante en los conmutadores, es que se debe tratar de reducir el número de

puntos de cruce que una señal de entrada atraviese.

Según la probabilidad de bloqueo del conmutador, podemos encontrar la siguiente clasificación:

Conmutador bloqueante

Conmutador no bloqueante:

Conmutador reconfigurable.

Conmutador sin bloqueo en sentido amplio, en esta clase de conmutador se puede

establecer cualquier conexión sin volver a configurar las existentes.Conmutador si bloqueo en sentido estricto, no es necesario reconfigurar las

conexiones preexistentes ni aplicar algoritmos para conexiones nuevas.

Requerimientos:

La probabilidad de bloqueo de un equipo conmutador debe ser mínima.

Se debe proporcionar protección de ruta entre nodos.

Se dispone de rutas alternativas para llegar a los nodos.

Encaminamiento automático a través de rutas alternativas o backup.

En caso de que se pierda la continuidad óptica por la ruta, se hará uso del sistema backup.

Rápida conmutación.

Configuraciones de conmutaciónLas configuraciones más comunes para construir conmutadores son las siguientes:


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Dispositivos para la conmutaciónLa conmutación óptica es de vital importancia ya que evita la conversión de señales ópticas a

eléctricas para conmutarse, los principales obstáculos que se presentan en estos dispositivos sonlas pérdidas por inserción causadas por la desalineación de la fibra, y las pérdidas por reflexión de

Fresnel.

A continuación se muestran algunos de estos dispositivos.

MEMS

Es un Sistema Micro-electro-mecánico para la conmutación óptica, consiste en una matriz de

diminutos espejos que pueden girar entorno a un eje para dar dirección a la luz desde la entrada

hacia su salida. Para conseguir superficies ópticas de alta calidad, estas estructuras se obtienen

mediante un proceso de micro-mecanizado en una oblea de silicio.

Arquitectura Crossbar

Es de tamaño NxN con puntos de cruce N2. Las pérdidas serán dependientes del númerode nodos a cruzar la señal, es una arquitectura no bloqueante en sentido amplio.

Arquitectura Benes

Requiere menos número de bloques conmutadores que la arquitectura Crossbar, estaclase de arquitectura asegura que las perdidas son iguales en todos los caminosestablecidos.

Arquitectura Spanke

Todas las unidades elementales de conmutación están relacionadas con todas las de laetapa siguiente. Esto eleva el número de puntos de cruce. Como puede verse este

conmutador es no bloqueante en sentido estricto.

Arquitectura Spanke-Benes

Soluciona el problema del elevado número de puntos de cruce de la arquitectura Spanke.Uno de los problemas que presenta es el alto número de unidades de conmutación quela componen, de N(N-1)/2 para un conmutador de NxN. El otro problema es que no todoslos caminos presentan las mismas pérdidas. A diferencia de la estructura anterior, esteconmutador es no bloqueante en sentido amplio.


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Figura 3.21: Dispositivo MEMS.

Conmutadores Termo-ópticos

Su funcionamiento depende de la temperatura, según esta varíe esta, también lo harpa el índicede refracción en uno de sus brazos. La principal desventaja de este tipo de conmutadores es que

su tiempo de conmutación es bajo (1ms).

Figura 3.22: Conmutador Termo-óptico.

Conmutadores Electro-ópticos

Los acopladores de Niobato de Litio ( ), suelen ser usados como conmutadores gracias aque su índice refracción puede variar según la aplicación de tensión, este fenómeno es conocidocomo electro-refracción. Su tiempo de conmutación es superior a los termo-ópticos,aproximadamente de 1ns.

Conmutadores basados en SOA

Los conmutadores basados en amplificadores ópticos semiconductores poseen un tiempo de

conmutación de 1ns y son costosos. Consisten en la creación de réplicas de la señal de ingreso

mediante splitter ubicados en su interior, al pasar la réplica por el amplificador óptico

semiconductor, o bien se amplifica o se absorbe según la aplicación del voltaje. [24]


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Figura 3.23: Conmutador basado en SOA.

La siguiente tabla muestra características y diferencias entre los distintos dispositivos de

conmutación.

DISPOSITIVO Velocidad deConmutación

Diafonía Tamaño Voltaje/Potenciade disipación

MEMS óptico Sub-ms a ms Mm x mm

Termo-óptico(MZI)

Termo-óptico(DOS)Electro-óptico

Basados en SOACristal líquido

ElectroholográficoAcusto-óptico

Tabla 3.5: Cuadro comparativo de dispositivos de conmutación óptica.

Optical Cross Conect (OXC)

Es un conmutador digital electrónico para redes de fibra óptica, es un componente importantedentro de las redes xWDM. Sus siglas en español significan Conmutador Cruzado Óptico, estábasado en un sistema de dispositivos MEMS lo que hace posible una red óptica dinámica.


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Consta de N entradas y N salidas, una etapa de demultiplexación, otra de conmutación,multiplexación y salidas.

Figura 3.24: Optical Cross Connect (OXC)

Cada entrada del dispositivo recibe una señal WDM formada por M longitudes de onda, eldemultiplexor se encarga de la separación de cada longitud de onda; la etapa de conmutaciónrecibe N señales de entrada con la misma longitud de onda, a cada señal se le añade a un canalespecífico donde cada unidad de conmutación formada por conmutadores ópticos espaciales

(2x2), enrutan las señales a la etapa de multiplexación la que combina M entradas formando unaseñal WDM.

Según el esquema mostrado se necesitarán N entradas, salidas, demultiplexores y multiplexores;además de conmutadores ópticos.

AMPLIFICADORESCuando una señal se propaga por la fibra óptica se es necesario usar regeneradores paraamplificar la señal debido a las consecuencias de la atenuación y la dispersión, así como de lalongitud máxima permitida para la fibra entre transmisor y receptor, que no alcanza para cubrir

todo la distancia del enlace.Al principio se empleaban regeneradores o repetidores electrónicos. Estos realizan:

1.

Conversión de la señal del dominio óptico al eléctrico,2.

amplifican la señal eléctrica,3.

la resincronización,4.

recuperan su forma, y5.

realizan una conversión del dominio eléctrico al óptico.


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Los amplificadores ópticos son dispositivos que generan una réplica de la señal de entrada perocon niveles mayores de potencia, operando por completo en el domino óptico, es decir operanhaciendo uso sólo de fotones, sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificaren eléctrico y volver a pasar a óptico.

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en unláser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitarque el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal pero nogenerar una señal óptica coherente.

De esta forma no es necesario colocar amplificadores optoelectrónicas entre tramos de fibra.

Funcionamiento:

Ventajas:

Funcionamiento es independiente del tipo de modulación de la señal. Tiene un amplio ancho de banda, por lo que amplifica varias longitudes de onda

simultáneamente. Mayor simplicidad y por tanto menor probabilidad de fallos y menor coste que los

regeneradores. Permiten emplear reflectómetros ópticos para el testeo y supervisión de las líneas de fibra

óptica. Pueden ser integrados.

Limitantes:

Introducen un ruido adicional que es amplificado junto con la señal. Al no regenerar la señal se produce un efecto acumulativo de la dispersión. Su ancho de banda es finito por lo que limita el número de canales en los sistemas WDM. Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificación, por lo que debe ser

ecualizada.

Una fuente de bombeo inyectauna energía en la zona activa

del amplificador

Esta energía es absorbida porlos electrones que

incrementan sus niveles deenergía produciéndose la

inversión de población

Al ser alcanzados estoselectrones por los fotones de

la señal óptica de entrada caena unos niveles energéticos másbajos dando lugar a un nuevo

fotón

Esto es el proceso de emisiónestimulada, produciéndose así

la amplificación de la señal.


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Tipos de amplificadores ópticosLos dos principales tipos de amplificadores ópticos son: los SOAs , Semiconductor Optical

Amplifiers, y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.

Amplificador óptico de semiconductor (SOA)

La estructura de un SOA, Semiconductor Optical Amplifiers, es muy similar a la de un lásersemiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite estaoscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

Amplificadores de enganche por inyección. Son los menos empleados y consisten enláseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea paraamplificar una señal óptica de entrada.

Amplificador Fabry-Perot (FP) . Su estructura es básicamente como la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principalinconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-Perotconsiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente.

Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En este se separan las

reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de laseñal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal una sola vez por eldispositivo. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos láseresconvencionales para aumentar la ganancia.

Ventajas :

La posibilidad de integración por su reducido tamaño. La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la composición del

material.

Desventajas:

Su geometría rectangular produce pérdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por

igual las dos polarizaciones de la señal. Cuando las señales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen fenómenos

de naturaleza no lineal que producen distorsión y diafonías.

Amplificadores de fibra dopada con Erbio EDFA

El EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier, es el amplificador óptico más utilizado en la actualidad quese basa en el dopaje con Erbio de una fibra óptica y permite amplificar señales en la terceraventana (1550nm)


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Figura 3.25: Amplificador EDFA.

Ventajas:

Debido a su geometría cilíndrica sus pérdidas de inserción en las uniones con la fibra

óptica son muy reducidas.Debido también a su geometría su ganancia es poco sensible a la polarización de la señal.El ruido que genera es bajo.La saturación de la ganancia no ocasiona distorsión.

Desventajas

Sólo opera en la tercera ventana, no obstante si existen dispositivos similares perodopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana.

Su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque esto se solventatrabajando cerca de su saturación, pues la curva de ganancia es más plana.

RAMAN

Estos dispositivos se basan en amplificar la señal óptica mediante el efecto Raman A diferencia delos EDFAs y de los SOAs, los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entrela señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia.y se manifiesta en una transferencia de unaslongitudes de onda a otras más elevadas.

Ventajas:

Operan en cualquier longitud de onda, Mediante la adecuada elección de la frecuencia debombeo.

Posibilidad hacer uso simultáneamente múltiples bombeos a diferentes frecuencias, con loque se logra la amplificación en una amplia gama de longitudes de onda.

Como el medio amplificador es la propia fibra óptica, existe la opción de usar comoamplificador el mismo tramo de fibra donde se desea tener una ganancia, teniendo asi unamplificador distribuido

Los amplificadores Raman, pueden emplearse de forma complementaria para los EDFA puesgracias a la combinación de ambos es factible disponer de una banda amplificación extensa ybastante plana

Desventajas:

Necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana al vatio.


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Figura 3.26: Obtención de una ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA junto con un amplificador RAMAN

Amplificadores comercialesLa amplificación Raman es una tecnología todo-óptica que permite cubrir grandes distancias ycompite con los EDFAs en el mercado de la amplificación óptica.

Amplificadores Tipo EDFA

Amplificadores EDFA AsGa son utilizados en comunicación óptica de gran capacidad y largadistancia en sistemas DWDM para amplificar señales ópticos en la banda C (1528 a 1561nm). Paraeste tipo de amplificador hay tres aplicaciones con especificaciones distinguidas:

Figura 3.27: Amplificadores EDF

Características:

Cubre la Banda C, de 1528 a 1562 nm Apagamiento automático de los láseres de bombeo para protección del operador, en caso

de señal de entrada.

Equilibrio Automático de Gano Interfaz RS232 para monitoreo y configuración, Interfaz eléctrica para información de alarmas Disponible en 3 modelos Booster, línea y pre-amplificador


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Aplicaciones:

OPA (Optical PreAmplifier): Utilizado no final del enlace, antes de los receptores. Poseealta sensibilidad de entrada, bajo ruido y baja potencia de salida.

OLA (Optical Line Amplifier): Utilizado en medio del enlace, responsable por amplificar una

señal degradado advenido de una línea y enviarlo con potencia suficiente para vencer lasegunda parte del enlace.

OBA (Optical Booster Amplifier): Es el amplificador booster o de potencia, posee altapotencia de salida. Posee baja sensibilidad de entrada y nivel de ruido es relativamentealto.

ROPA (Remote Optical Pumping Amplifier): Amplificador utilizado específicamente enenlaces de larga distancia. Consiste en dos (2) módulos separados, donde la Unidad deBombeo se localiza en la estación (inicio de la transmisión) y la Unidad de Ganancia(pasiva) se localiza remotamente (hasta 70km). La señal bombeada es llevada hasta launidad de ganancia por una hebra óptica dedicada. [25]

Tabla 3.6: Características del EDFA


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DIAGRAMA DE FLUJO DE RECEPTOR ÓPTICO


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DIAGRAMA DE FLUJO DE TRANSMISOR ÓPTICO.

comunicacion opticas 3

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