fibra optica

DTE en Telecomunicaciones Nivel Ingenieros

Análisis de Sistemas de Servicios de Telecomunicaciones 46

ENLACES DE FIBRA OPTICA

La fibra óptica

La fibra óptica en si, es una guía de onda dieléctrica cilíndrica por cuyo interiorviaja la información como ondas electromagnéticas, con la particularidad de ser muy cortas,iguales o muy próximas a las ondas de la luz visible, es decir, ondas submilimétricas.

El método de transmisión consiste en modular los parámetros de la luz, conforme ala señal de información y guiarla a su destino a través de un medio óptico, que es en estecaso una fibra muy delgada de vidrio sili coso u otro material adecuado, constituido de unnúcleo con un índice de refracción n1, un manto o envoltura de índice de refacción n2 y unrecubrimiento.

Figura 1 Elementos fundamentales en una fibra óptica

Núcleo o alma : Es la porción conductora de luz; es el centro dieléctrico en una fibraóptica, cuyo índice de refacción es mayor que el índice de refraccióndel medio que la envuelve.

Manto o Envoltura: Forro exterior o envoltura fundido al núcleo de la fibra.

Recubrimiento : Envoltura de protección mecánica y evita la penetración de rayos deluz.



Propagación de la luz

Bajo una perspectiva geométrica, cada vez que rayos de luz son inyectados en elnúcleo de una fibra óptica (acercando una fuente de luz al extremo de ella), al interior de lafibra existirán diferentes tipos de rayos según el ángulo con que ellos ingresen al núcleorespecto al eje longitudinal de ella y debido a la diferencia entre el índice de refracción delnúcleo y de la envoltura:

Rayos Especiales; son aquellos que escapan hacia afuera de la fibra, puesto que al incidir enla unión núcleo envoltura, la mayor parte de la energía será refractada hacia la envoltura y deall í al espacio exterior.

Rayos del Manto; en este caso la mayor parte de la energía será refractada hacia la envolturapero no logrando pasar la unión envoltura aire, siendo guiados por la propia envoltura.

Rayos del núcleo: estos son los que realmente interesan para la comunicación óptica puestoque llevan un ángulo suficientemente pequeño para que no exista rayo refractado en la uniónnúcleo envoltura de forma que toda la energía será reflejada hacia el núcleo de nuevo en formasucesiva hasta emerger en el otro extremo de la fibra.

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

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



Cualquier rayo que incida sobre la unión núcleo-envoltura con un ángulo mayor queθc, experimentará reflexiones sucesivas a través del núcleo de la fibra óptica constituyendoel flujo de luz guiada.

En la figura 2 muestra en forma resumida la refracción y reflexión, con sus ángulos. La leyque rige estos fenómenos es la "ley de Snell ". Esta ley se expresa en la siguientefórmula matemática:

Si el ángulo de incidencia φi, aumenta gradualmente, el ángulo de refracción φt, seaproxima a 90º. Cuando φi llega a un cierto ángulo, el rayo de luz no pasa hacia el mediocuyo índice refractivo es n2, es decir, toda la luz es reflejada y nada es refractada. Estefenómeno es llamado la reflexión total interna y el ángulo de incidencia en el cual estareflexión total comienza a ocurrir, se llama ángulo crítico φc.

El ángulo crítico determina entonces un cono de aceptación en la sección transversaldel extremo de la fibra, típico de esa fibra, puesto que dependerá exclusivamente de losíndices de refracción de núcleo y envoltura (para producir el efecto de guiamientoadecuado, la envoltura posee un índice de refracción levemente inferior al núcleo).

Apertura numérica

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

Donde: αc es el ángulo máximo, respecto de lahorizontal, de aceptación de rayos en la caratransversal del extremo de la fibra.

n1 * sen (φi) = n2 * sen (φt)

cnnNA αsen22

21 =−=



Clasificación de las fibras ópticas

Como se muestra en la Tabla 1 la fibra óptica puede ser clasificada dependiendo delmaterial dieléctrico utili zado, del número de modos de propagación y de la distribución delíndice de refracción del núcleo.

Por materiales dieléctricos Fibra óptica de sili cio

Fibra óptica de vidrio multicompuesto

Fibra óptica plástica

Por modo de propagación Fibra óptica monomodo (SM)

Fibra óptica multimodo

Por distribución del índice de refracción Fibra óptica de índice escalonado (SI)

Fibra óptica de índice gradual (GI)

Tabla 1 Clasificación de la fibra óptica

Clasificación por material utili zado

La Tabla 1 muestra primeramente la clasificación de la fibra óptica de acuerdo almaterial dieléctrico usado. La primera es la fibra óptica de vidrio de cuarzo, la cualcontiene no sólo cuarzo puro (SiO2) sino que también aditivos o dopantes tales comogermanio (Ge), boro (B) o flúor (F) para cambiar el índice refractivo. Es corrientementeusada en los cables de fibra óptica para las redes de telecomunicaciones, porque ofrecebajas pérdidas y una gran estabili dad en el largo plazo de sus características de transmisión,las cuales son excelentes.

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

Existen además en el mercado, las fibras ópticas de materiales plásticos. Estas notienen buenas características de propagación y sólo se pueden usar en tramos muy cortos.Sin embargo, tienen muy buenas características para doblarlos, torcerlos, son muy



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

Clasificación por modo de propagación

Dado que una fibra óptica es un guía que impone restricciones a la propagación deuna onda electromagnética, existirán formas únicas de propagación, denominadas “modos” .Para el caso de la fibra óptica más sencill a, el número de modos de propagación quedadado por:

Donde: N: Número de modos de propagación n1: índice de refracción del núcleo n2: índice de refracción de la envoltura a: radio del núcleo λ: longitud de onda de trabajo

De acuerdo al número de modos que se propaga por el núcleo existen las llamadasMultimodos (Muchos modos) y la Monomodos (Sólo un modo).

Clasificación de acuerdo al perfil de distr ibución del índice de refracción

Cuando el índice de refracción “n” de una fibra óptica es considerado como unafunción del radio r, se tiene lo que se conoce con el nombre de “Perfil del índice derefracción” .

En esta clasificación se distinguen dos tipos de fibra, la de índice escalón (step-index) y la de índice gradual (graded-index). La fibra óptica tipo SI, cuyo perfil dedistribución de índice de refracción puede ser apreciado en la figura 3, puede ser una fibramultimodo o monomodo.

Se debe notar, que la fibra monomodo solo transmite un modo, para lo cual sefabrica con un radio de núcleo muy pequeño. La diferencia entre los valores de los índicesn1 y n2 es muy pequeña, del orden del 1%, comparada con la fibra óptica tipo multimodo.

El perfil de índice de refracción para una fibra óptica tipo gradual se asemeja a unaparábola y se muestra también en la figura 3.

)()4( 2

221

2

nna

N −=λπ



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

Figura 4 Propagación de la luz en fibra óptica tipo gradual



Diámetro del campo modal (MFD)

En fibras monomodos, el diámetro del campo modal caracteriza el tamaño delnúcleo, la potencia acoplada y la habili dad para hacer uniones de bajas pérdidas yrepresenta la distribución transversal de la potencia propagándose en la fibra, la cual tienesu mayor intensidad en el centro y decrece hacia el revestimiento.

Figura 5 Diámetro del campo modal ( MFD )

El radio al cual la intensidad cae a 1/e2 = 0.135 del valor máximo se denomina“Radio del campo de modo”, y por lo tanto, “Diámetro del campo modal” (MFD) se definecomo dos veces dicho radio.



Limitaciones de la fibra óptica

Las dos grandes limitaciones de la fibra óptica que deben ser consideradas en eldiseño de enlaces son la Atenuación (o pérdidas) y la Dispersión (o ensanchamiento delpulso).

Pérdidas de luz en las fibras ópticas

Las pérdidas en las fibras ópticas se refiere a la atenuación que sufre la señalluminosa durante su trayectoria en la fibra. Esto es de especial importancia cuando sediseña un enlace y luego, cuando se instala. Se debe recordar, que en todos los sistemas decomunicaciones se trata de minimizar los costos de instalación, para lo cual, uno de losfactores que se deben minimizar, es justamente el de las pérdidas.

Cuando una señal óptica se propaga a lo largo de una fibra experimenta unaatenuación y el nivel de potencia a distancia de z kilómetros del emisor es:

P(z) = P exp (-αz)

Obviamente, valores más bajos de pérdidas significan distancias de transmisión máslargas para enlaces de fibra óptica.

Clasificación de las pérdidas ópticas

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



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

Figura 7 Características de pérdidas ópticas de una fibra óptica



La figura 6 muestra los diferentes factores por los cuales existen las pérdidas de luz,mientras la figura 7 muestra la curva de pérdidas típica de una fibra óptica, que resumen laspérdidas por absorción y scattering Rayleigh de la luz.

En esta figura 7 se pueden apreciar las "ventanas", o longitudes de ondas que seutili zan en los sistemas de fibras ópticas, a medida que la tecnología ha progresado, éstashan cambiado. Actualmente se usa principalmente la tercera ventana, 1,55 um.

Pérdidas por absorción:La absorción ocurre cuando la luz que viaja dentro de la fibra óptica se transforma en calor.Esta pérdida aparece como que parte de la luz es absorbida por el material de la fibra, comouna cortina negra que absorbe la luz y también la convierte en calor. En general, la absor-ción es causada por las capacidades de absorción del vidrio en sí mismo y por las impurezaspresentes en él (OH iones de hidróxido, iones de metal).

Pérdidas por Scattering Rayleigh:El scattering Rayleigh ocurre cuando las ondas de luz chocan con una substancia cuyaspartículas tiene un tamaño comparable a la longitud de onda, siendo la luz dispersada envarias direcciones.En el proceso de fabricación de la fibra, donde es aplicado mucho calor al núcleo, seproducen desigualdades del índice de refracción, las cuales permanecen en la fibra ópticapara siempre. Esta es la razón de las pérdidas de potencia en las fibras ópticas debido ascattering Rayleigh.

Pérdidas por scatter ing debido a estructura no uniforme:En la fibra óptica, existen pequeñas fluctuaciones o irregularidades en la superficie fronteraentre el núcleo (core) y el revestimiento (clad). Estas fluctuaciones causan que la luzatraviese materiales con diferente índice de refracción, lo que produce que parte de la luz sedisperse en varias direcciones.

Pérdidas causadas por curvaturas:Estas pérdidas se producen cuando la fibra se dobla, ya que se puede llegar a exceder elángulo de incidencia máximo del rayo de luz para producir el fenómeno de la reflexióntotal. Luego, parte de la energía es irradiada hacia afuera de la fibra. Para evitar este tipo depérdidas, que puede llegar a ser muy crítico, se debe tener el cuidado de no doblar la fibracon radios menores a un radio específico dado por el fabricante, por ejemplo 40 mm.

Pérdidas por microcurvaturas:Cuando una presión lateral no uniforme es aplicada a una fibra óptica, el eje longitudinal dela fibra es ligeramente curvado (algunos um.), lo cual causa una aumento de las pérdidas.

Pérdidas por uniones:Las uniones de fibra óptica, conectores (desmontables) o empalmes (permanentes) sonsimilar a las uniones de dos cañerías de agua o gas. El empalme debe ser perfecto de



manera de evitar filt raciones hacia afuera de gas o agua. Las uniones de fibra deben serperfectas de modo de evitar las filt raciones y reflexiones de luz (reflexión de Fresnel).

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

Dispersión de la luz en las fibras ópticas (Ensanchamiento)

La dispersión es un fenómeno que se produce por diferentes causas, pero quebásicamente se puede definir como el ensanchamiento de los pulsos que son transmitidos,debido a que los componentes de la señal de luz toman tiempos diferentes para recorrer lafibra óptica y alcanzar el extremo receptor.

En un caso exagerado de dispersión, cada pulso resultaría ensanchado en el receptorde modo que se superpondrían los pulsos, imposibilit ándose así el buen reconocimiento delos instantes en los que existe y no existe pulso.

Figura 8 Efecto de la dispersión en una fibra óptica



Como se puede apreciar en la figura 8, el impulso de salida presenta una asimetríaque no existía en la entrada, con una forma de caída más acusada que con respecto a laoriginal, la que produce un error de lectura. Como se observa los bits enviados son 11001pero en recepción la información se interpreta como 11101.

La dispersión puede ser de tipo “modal” , debido a los múltiples modos depropagación que recorren diferentes caminos ópticos del núcleo.

Si se reduce el número de modos que propaga una fibra a solo uno se tiene la fibrallamada monomodo; en esta fibra solo existe la llamada dispersión cromática, que esdependiente de la longitud de onda utili zada.

Dispersión modal

En las fibras multimodo, existen diversos modos o de rayos propagándose por suinterior. La principal característica de estos modos es que ellos viajan por distintastrayectorias. En un caso extremo, existirían rayos propagándose axialmente y otrosdescribiendo una línea quebrada que traspasaría el eje de la fibra. Obviamente el resultadode estas diferencia de trayectorias se traduce en una diferencia en el tiempo de llegada alreceptor, produciéndose así el ensanchamiento de los pulsos. Este fenómeno se puedeapreciar en la figura 9.

Figura 9 Dispersión modal



Dispersión Cromática (σσc)

Tal como se muestra en la figura 10, se define como dispersión cromática a todadispersión que tenga como origen una dependencia de la longitud de onda, es decir, a lasuma de la dispersión “material” y del “guía de onda”.

Figura 10 Coeficiente de Dispersión cromática (σc)

Dispersión del guía de onda (σσg)

Cuando el índice de refracción del núcleo difiere sólo levemente del índice delrevestimiento, parte de la luz se refleja después que hubo penetrado en él. El grado depenetración en el revestimiento dependerá de la longitud de onda de la señal. Luego paracada longitud de onda existirán diferentes trayectorias lo que implica un menor o mayortiempo de viaje para alcanzar el receptor. Es así como se produce el ensanchamiento de lospulsos y su correspondiente traslape. La figura 11 gráfica este concepto.



Fibras de dispersión desplazada

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

Figura 11 Dispersión de guía de onda



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

Ancho de banda en fibras monomodo

En las fibras monomodo solo actúan la dispersión cromática y del guiaondas En losdiseños convencionales, la dispersión del guíaondas, será despreciable, salvo en la regióndonde esta se anula, en torno a 1300 nm, (ver figura 13) pudiendo aproximarse, excepto enesa región, a la expresión siguiente:

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

)(

187,0)(

nScGHzB

σ=



Figura 13 Representación de ancho de banda de una fibra óptica

Efecto de la dispersión cromática

En el caso de enlaces con fibra monomodo, los pulsos de luz propagándose a lolargo de la fibra experimentan una deformación debida principalmente al ancho espectral dela señal óptica emitida por el emisor de luz. Este fenómeno se llama la dispersión cromáticay es en realidad la combinación de la dispersión material y de la dispersión de guía de onda.

La dispersión cromática total se calcula a partir de los parámetros Md (coeficientede dispersión cromática) expresado en pS/Km*nm, W (ancho espectral de la fuente de luz)y por la distancia.



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

En fibras estándar se tiene que la dispersión cromática es mínima alrededor de los1,3 um, por lo cual los sistemas funcionando en esta ventana óptica tienen un Mdgeneralmente muy bajo, del orden de uno a tres ps / Km*nm En fibras estándar, si se usauna fuente de luz en la tercera ventana óptica (1,55um), el coeficiente Md es mucho mayor,típicamente entre 17 y 20 ps / Km*nm.

Usualmente W está definido como el ancho a -3 dB (FWHM : Full Width HalfMagnitude) del espectro de potencia de emisión de la fuente de luz. El valor de W, anchoespectral de fuente, esta dado por el fabricante.

Los diodos LED tienen valores W bastante altos (30 nm o más). Los diodos Láser(LD) al contrario tienen anchos W más bajos. Un diodo Láser multimodo (Fabry-Perot)presenta típicamente un ancho de 1 a 4 nm. Un diodo Láser DFB por ejemplo, puede dar unW muy por debajo de los nm y permite minimizar mucho el efecto de la dispersióncromática.

Fabr icación de la fibra óptica.

Existen varios métodos para fabricar la fibra óptica, sin embargo, todos derivan a laconstrución de la llamada preforma, que es una varill a o tubo de aproximadamente 1 mt. delargo de cuarzo de alta pureza.

El método de la preforma, puede separarse en dos pasos: la formación de lapreforma y el estirado de la misma. La formación de la preforma, se realiza medianteprocesos químicos que consisten en realizar la deposición del vidrio en diferentes capas,cuya densidad es controlada en el proceso, con lo cual se logra controlar el índice derefracción en cada capa (del núcleo y de la envoltura).

Para la formación de la preforma, existen cuatro métodos básicos: OVD (Outsidevapor deposition); VAD (Vapor axial deposition); MCVD (Modified chemical vapordeposition y PCVD (plasma-activated chemical vapor deposition). La figura 14 presenta elmétodo interno llamado M.C.V.D. (Modified Chemical Vapor Deposition).



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

Luego que la preforma está terminada, debe ser estirada para llevarse a lasdimensiones normales de la fibra óptica, por ejemplo, se pueden estirar hasta 10 km. defibra de 125 um. El estiramiento de la preforma se realiza en hornos especiales ycontrolando el diámetro de la fibra.

Posteriormente, la fibra se cubre con una capa de sili cona que la protege de lahumedad, la cual causaría una oxidación de la superficie de la fibra, ya que como se sabe, lafibra posee algunas impurezas metálicas, que sirven para controlar el valor del índice derefracción en cada capa, tanto del núcleo como de la envoltura o manto.

Una vez concluido este proceso, la fibra se recoge en bobinas o carretes. Enmuchos casos, en este instante se realiza una prueba de tensión al hilo de fibra.Normalmente la fibra óptica recién fabricada, tiene una resistencia a la tracción superior ala del acero, pero esta característica se degrada rápidamente al estar expuesta al aire y a lahumedad.



Parámetros geométr icos de las fibras ópticas

La ex-CCITT ha definido los parámetros geométricos y tolerancias que deberáncumpli r las fibras ópticas, con el objetivo de garantizar compatibili dad en los productosofrecidos por diferentes fabricantes. La definición de parámetros se observa en la figura 15,mientras en la figura 16, se muestra el ll amado Campo de tolerancia de 4 círculos quedefine los valores máximos y mínimos para el núcleo y envoltura.

Do

do

Diámetro del núcleo: d =dmax + dmin

2

Diámetro del revestimiento: D =Dmax + Dmin

2

Dimensiones ideales

Dmax

dmin

dmax

No circularidad del núcleo: e =dmax - dmin

do* 100

No circularidad de la envoltura

: R =Dmax - Dmin

Do* 100

Error de concentricidad : C =

x

d* 100

x

Excentricidad: E =

Figura 15 Definición de parámetros geométricos de una fibra óptica



Figura 16 Definición de los campos de tolerancia de los 4 círculos.

Dco - ∆ Dco

Dcl - ∆ Dcl

Dcl + ∆ Dcl

Dco : Diámetro nominal del núcleo

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

Dcl : Diámetro nominal de la envoltura

∆ Dcl : Tolerancia del círculo relativo a la envoltura = 5 um



Recomendaciones del ex-CCITT para fibras ópticas

CCITT G.651 Fibras ópticas multimodo para 850 o 1300 nm

Apertura numérica AN=0.18 a 0.24 (tolerancia 10%)Perfil del índice de refracción parabólicoDiámetro del núcleo 50 um (tolerancia 3 um)Diámetro del revestimiento 125 um (tolerancia 3 um)Error de concentricidad 6%Error de circularidad del núcleoError de circularidad del revestimiento 2%Atenuación de 2 a 4 dB/Km en 850 nmAtenuación de 0.5 a 2 dB/Km en 1300 nmAncho de banda de 200 a 1000 Mhz en 850 nmAncho de banda de 200 a 2000 Mhz en 1300 nm

CCITT G.652 Fibras ópticas monomodo optimizada para 1300nm

Longitud de onda corte 1,18 a 1,27 umDiámetro del campo modal 9 a 10 um (tolerancia 10% )Diámetro del revestimiento 125 um (tolerancia 3 um)Error de circularidad del revestimiento 2%Error de concentricidad del campo modal 1 umAtenuación de 0,4 a 1 dB/Km en 1300 nmAtenuación de 0,25 a 0,5 dB/Km en 1550 nmDispersión cromática 1285-1330 nm de 3,5 ps/Km nmDispersión cromática 1270-1340 nm de 6 ps/Km nmDispersión cromática en 1550 nm de 20 ps/Km/nm

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



Fuentes, detectores y ampli ficadores ópticos

Fuentes ópticas

Las dos fuentes de luz de interés para telecomunicaciones ópticas son el LED (Lightemiting diode) y el LD (Laser diode), debido a velocidad de conmutación, diagrama deradiación y facili dad de modulación.

Diodo emisor de luz LED

Los diodos electroluminiscentes LED, son de modo general, una unión p-n polarizadadirectamente en que electrones y huecos inyectados en la región p y n del diodo se recombinanradiactivamente, emitiendo luz. Estas recombinaciones son hechas a través de emisión defotones, cuya energía es aproximadamente igual a la de la banda prohibida Eg ≅ hν En estecaso la luz depende de la recombinación espontánea de pares electrón-hueco en la región p-nlo que implica una superposición de un número finito de ondas desfasadas entre sí, lo queconstituye una luz incoherente.

Figura 17 Operación básica de un emisor de luz tipo LED

Los LED de interés para fibra óptica son diseñados para alta radiación, alta capacidadde modulación, de dimensiones compatibles con las fibras ópticas y de muy alta eficienciapara las densidades de corrientes requeridas para obtener el nivel de potencia necesario.



LED de borde (edge)

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

Figura 18 LED tipo "edge" de doble heterojuntura

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



Figura 19 Diagrama de Emisión de un LED de borde

Propiedades espectrales de los LED

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



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

Función de transferencia

La función de transferencia luz-corriente representativa de un LED típico, se muestraen la figura 21. Se observa que para una gama de corrientes comprendida desde algunosmiliamperes hasta aproximadamente 150 mA, dependiendo del tipo de LED util izado, dichafunción de transferencia es aproximadamente lineal. Más allá de esta gama de corrientes seproduce un fenómeno de saturación del rendimiento cuántico de emisión (relación entre elnúmero de fotones emitidos y el número de electrones inyectados en la unión PN). En lamisma figura 21, se observa que podemos modular al LED superponiendo la señalmoduladora a la corriente de polarización (modulación directa).



Figura 21 Función de transferencia de un LED típico



Diodo láser (LD)

En la recombinación radiactiva, donde el electrón en un nivel de energía superiordecae a un nivel de energía menor, sin influencias externas, es llamada de recombinaciónespontánea. Cuando los fotones poseen una energía mayor que la banda prohibida Eg,interactuan con los electrones, pueden hacer que liberen energía, pasando de un nivel superiora un nivel inferior, ocurriendo la llamada emisión estimulada. En esta última, los nuevosfotones producidos poseen la misma fase, energía y dirección de propagación que los fotonesoriginales, lo que corresponde a una ganancia óptica.

Para que exista la acción "Lasing" (emisión de luz coherente y direccionada) del láser,es indispensable crear una inversión de población (recombinación) y realimentar parte de laradiación. La realimentación es lograda por un par de espejos perpendiculares a la juntura p-nformando una cavidad resonante. Los espejos son formados en los lados laterales del cristalsemiconductor, permitiendo, así, la realimentación de la emisión estimulada.

Diagrama de radiación

Las propiedades de emisión de un láser están dadas en función de las características ycantidad de los modos de radiación que este posea ya sean transvesal, laterales olongitudinales.

El láser opera con un único modo tranversal (es decir perpendicular al plano de lajuntura) lo cual se logra haciendo su región activa muy delgada, pero debido a lo angosto de laregión activa, la emisión del modo transversal fundamental se hace, con una divergencia delorden de 30-45°. (Figura 22).

Figura 22 Diagrama de radiación de un láser



Propiedades espectrales de un laser

El espectro del diodo láser es mucho más angosto que el de los LED: alrededor de 0,1a 2 nm; como se dijo, un angosto espectro es ventajoso para sistemas de alta velocidad de bit.

El espectro del diodo láser está compuesto de un set de longitud de ondas y modosespaciados, por ejemplo, 0,25 a 0,30 nm; diez o más modos, cada uno con potenciaimportante. (Figura 23.).

Figura 23 Respuesta espectral de un láser

Función de transferencia

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



Figura 23 Función de transferencia de un láser.

Corr iente umbral I th.

La corriente umbral Ith aumenta no linealmente con la temperatura T y sigue larelación:

I I eth A

T T

TA

=−

0

donde IA : corriente umbral a una temperatura ambiente TA en °K.



TA : temperatura ambiente en °K.

TO : es una constante del dispositivo, llamada temperaturacaracterística.

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

Fotodetectores ópticos

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

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

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

Iqp

hp = ην

0

Donde:

Ip : Fotocorriente,

P0 : Potencia óptica incidente.

q : Carga del electrón (1,6 10-19 Coulomb)



hν : Energía fotónica.

η : Eficiencia cuántica del detector.

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

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

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

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



Los receptores que utilizan fotodetectores APD pueden llegar a ser orden de 15 dBmás sensibles que los p-i-n, sin embargo el fotodetector p-i-n es también ampliamente usadodonde los requerimientos de sensibil idad no son tan exigentes.

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

Cuando no incide luz en el fotodiodo, estando este en condiciones de operación, siguehabiendo una corriente de fuga llamada corriente de oscuridad cuyo ruido de granalla esalgunas veces la fuente de ruido dominante.

La característica de corriente Vs tensión de polarización inversa para un fotodiodo Pinse representa en la figura 25.

Figura 25 Características V-I para fotodiodo



Sensibilidad

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

Sq

hm Amp Watt= ≈η

νη λ µ0805, ( ) [ / ]

Donde:

q : Carga del electrón.

h : Constante de Planck.

ν : Frecuencia de la radiación emitida por el LED o Láser.

hν : Energía del fotón incidente.

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

Corr iente de oscuridad (IDARK)

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



Ampli ficadores ópticos

Los ampli ficadores ópticos son utili zados en sistemas de transmisión por fibraóptica para mejorar la ganancia de los enlaces, permitiendo así una mayor distancia entrerepetidoras en redes punto a punto o aumentar el factor de compartimento de un diodo láseren los sistemas de distribución. Se distinguen tres tipos diferentes de ampli ficador óptico,según se localice en la red. Ver figura 26.

Figura 26 Diferentes posiciones y funciones de un ampli ficador óptico



Los ampli ficadores de potencia de salida o post-ampli ficadores aumentan lapotencia óptica acoplada a la fibra en el lado del transmisor, los pre-ampli ficadores mejoranla sensibili dad de los receptores ópticos y los ampli ficadores en la línea compensan laspérdidas de la fibra.

.

Ampli ficadores basados en fibra dopada con erbio (EDFA)

La figura 27 muestra la configuración básica de un ampli ficador de fibra dopada conErbio. El corazón de un ampli ficador óptico es una fibra cuyo centro fue dopado con ionesde una tierra rara: Erbio. Las señales de entrada a una longitud de onda de 1550 nm, sonampli ficadas debido a la emisión estimulada en la fibra dopada con Erbio.

Figura 27 Esquema básico de un ampli ficador de fibra dopada con ER3

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



Ampli ficación óptica

Entre las bandas de absorción del ion de Erbio disponibles existen dos longitudes deonda donde el consumo de potencia es bajo con respecto a la ganancia obtenida, 980 y1480 nm,. Esta apreciación se basa en la viabili dad del diodo láser de bombeo y en elcomportamiento de ampli ficación.

La figura 28 muestra la ganancia de una pequeña señal a 1550 nm en función de la potencia debombeo acoplada a 1480 y 980 nm. Para obtener esta altas eficiencias de ganancia, las fibrasdopadas de erbio específicas tienen un diámetro del campo modal pequeño (4um) comparadocon la de una fibra de telecomunicaciones monomodo estándar (11 um).

Figura 28 Ganancia de un ampli ficador óptico en función de la potencia de bombeo



Diseño de enlaces por fibra óptica

Básicamente hay dos balances que se deben realizar en un diseño con fibra óptica.

- Balance de potencias y pérdidas. (Límite por atenuación)- Balance de velocidad y dispersión. (Límite por dispersión)

Balance de potencias y pérdidas (Límite por atenuación)

Potencia mínima :

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

Potencia máxima en recepción

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

Márgenes del sistema.

En el diseño del enlace es preciso incluir los márgenes de funcionamiento siguientes :

- Margen de cable óptico .- Margen de equipos.- Margen de seguridad.

Los márgenes de cable se refieren a :

- Las reparaciones, las cuales pueden hacer aumentar el número de empalmes..- Las modificaciones futuras que pudieran aumentar el numero de conectores y empalmes en el enlace.- Las variaciones de las características de la fibra óptica debidas a cambios ambientales.- Las degradaciones en los conectores.



Los márgenes de equipos incluyen :

- La degradación de la potencia inyectada, debida al envejecimiento de la fuente de luz (diodo Láser ó Led ) y a variaciones de características con la temperatura.- La modificación de la sensibili dad del receptor, debida también a cambios en las características de los elementos de recepción optoelectrónica.

El margen total Mr es la suma de todas estos valores.

Penalidades.

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

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

La penalidad de dispersión considera la degradación en sensibili dad de recepción debida ala deformación de los pulsos por dispersión.

Balance de potencia y pérdidas

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

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

Pt : Potencia emisión.Prmin : Sensibili dad de receptor (potencia mínima requerida).Mr : margen total.Pn : penalidad global.Af : atenuación en dB / Km en la fibra.L : largo de enlace.Ac : pérdida por conector



Nc : numero de conectores.Ae : perdida por empalme.Ne : numero de empalmes.Lc : largo de carrete.

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

En caso de que el largo L del enlace esté fijado, basta averiguar que la relación precedentese cumple. Solo se debe determinar previamente el número de empalmes. Para simpli ficarse puede usar la relación siguiente :

Ne = L / Lc - 1 ó redondeando para simpli ficar : Ne = L / Lc .

Balance de velocidad y dispersión (Límite por dispersión)

Fibras monomodo.

En general, la idea es limitar el ensanchamiento de pulso a una fracción del periodo detiempo correspondiendo a la recepción de un bit. Este tiempo elemental es igual al inversode la tasa de bit : 1 / R. De esta manera se llega típicamente a una condición del tiposiguiente :

Md. W . L . R < Coef

Coef es un valor entre 0 y 1 . En muchos casos, se usa como valor estándar : 0,5 (50%)

Fibras multimodo

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



Dispersión modal :

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

BW = B0 / L

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

Tm = 0.44 . L / B0

donde B0 en Ghz. KmL en KmTm en ns.

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

Análisis de ancho de banda

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

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



En cualquier sistema, el componente que presente menor ancho de banda es el quelimita al sistema. En el caso donde se utili zan fibras ópticas, el ancho de banda del sistemaes limitado por el equipo terminal, ya que la fibra tiene una respuesta de frecuencia bastantemayor.

Ejemplos de diseño de enlaces.

Ejemplo N°1

Consideramos el primer sistema a 140 Mbit/s. En este enlace el largo es de 58 Km y losmárgenes y penalidades consideradas son las siguientes :

Atenuación (incluyendo empalmes) : 0,475 dB / KmPerdida total de conectores (máxima) 1.4 dBMargen de reparación 3.0 dBPenalidad de dispersión 1.0 dB

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

• Estimación optimista de potencia de recepción :

La potencia recibida es : - 2 - 27.6 - 1.4 = - 31 dBm. Como está inferior a la potenciamáxima admisible (- 12 dBm) , se puede seguir porque no hay riesgo de dañar el receptorcon demasiado potencia.

• Estimación pesimista de potencia de recepción :Restando al valor obtenido (-31 dBm) las perdidas, márgenes y penalidades, se obtiene unapotencia de :

- 31 - 3 - 1 = - 35 dBm.

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



• Condición de dispersión para el enlace :

El ensanchamiento de dispersión vale : 3.5 x 9 x 58.1 = 1.8 ns.

El periodo de bit vale : 1 / 167.117 Mbit/s = 6 ns.

El ensanchamiento representa entonces 30 % del periodo de bit.

La formula presentada anteriormente considera que el ensanchamiento puede llegar a 50 %del periodo bit sin riesgo para la recepción digital.

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

Nota :

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

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



Ejemplo N° 2.

Consideramos el enlace con las características siguientes :

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

• Calculo de largo máximo de enlace con condición de potencia :

[ Pt - perdida conectores - margen - penalidad ] - Sensibili dad = 24 dB.

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

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

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

• Calculo de distorsión para distancia máxima :

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



Comparado al periodo bit del sistema de 400 ps, es claro que un tal sistema nopuede funcionar correctamente , o sea, que la distorsión cromática es demasiado grande ylos pulsos de luz se solapan. En tales condiciones la detección no puede operarcorrectamente (se dice que el diagrama de ojo está totalmente cerrado).

Para solucionar el problema de dispersión y dejar el largo de enlace a 94 Km, sepuede seleccionar un láser de ancho espectral más bajo y usar una fibra con dispersióndesplazada.

También se puede usar una concatenación de F.O. estándar y F.O. a dispersióndesplazada.

Por ejemplo, con una fibra de dispersión desplazada y un coeficiente de 2 ps /nm.Km, se tendría un ensanchamiento de sólo : 190 ps (si el ancho de LD sigue siendoigual a 1nm).

Comparando con el periodo bit de 400 ps, la razón sería de 48 %. Calculando lapenalidad de dispersión con la formula del ITU-T, se obtiene : 3.86 x ( .48 )**2 = 0.87 dB.

Este valor esta dentro de los limites aceptables y el enlace podría funcionar en estascondiciones.

fibra optica

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