ÍNDICE.

TEMA 1. INTRODUCCIÓN.

1.1 Presentación. Pág. 81.2 Antecedentes Históricos de las Comunicaciones Ópticas. Pág. 9 1.3 Espectro Electromagnético. Pág.101.4 Ventajas de las Comunicaciones por Fibras Ópticas. Pág.111.5 Aplicaciones de las Fibras Ópticas. Pág.131.6 Mercado de las Fibras Ópticas. Pág.131.7 Tendencia de la Fibra Óptica y los Sistemas de Comunicación. Pág.14

TEMA 2.PROPAGACIÓN DE LA LUZ, LEYES DE LA REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN DE LA LUZ.

2.1 Refracción. Ley de Snell. Pág.172.2 Ángulo Límite o Crítico c. Pág.202.3 Reflexión Total. Pág.20

TEMA 3. TEORÍA DE LAS FIBRAS ÓPTICAS.

3.1 Estructura de una Fibra Óptica. Pág.233.1.1 Núcleo y Revestimiento. Pág.243.1.2 Protección Primaria. Pág.243.2 Tipos de Fibras. Pág.253.2.1 Fibra Multimodo de Índice Escalonado. Pág.253.2.2 Fibra Multimodo de Índice Gradual. Pág.263.2.3 Fibra Óptica Monomodo. Pág.30

TEMA 4.PARÁMETROS DE LAS FIBRAS.

4.1Diámetro del Núcleo y del Revestimiento. Pág.344.2No Circularidad y excentricidad del Núcleo y Revestimiento. Pág.354.3 Perfil del Índice de Refracción. Pág.354.4 Apertura Numérica: Cono de Aceptancia de la Luz. Pág.374.5 Atenuación Espectral. Pág.384.5.1 Pérdidas por Absorción Intrínseca. Pág.414.5.2 Pérdidas por Absorción Extrínseca. Pág.424.5.3 Pérdidas por Esparcimiento de Rayleigh. Luz de Tyndall. Pág.444.5.4 Dispersión Estimulada de Raman y de Brillouin. Pág.464.5.5 Dispersión Temporal. Pág.46

1

4.5.5.1 Dispersión Modal o Intermodal. Pág.474.5.5.2 Dispersión Cromática. Pág.504.5.5.2.1 Dispersión Cromática debido al Material. Pág.514.5.5.2.2 Dispersión Cromática debido a la Guía de Onda. Pág.514.5.6 Pérdidas por Reflexión de Fresnel. Pág.544.5.7 Pérdidas por Microcurvaturas. Pág.554.5.8 Pérdidas por Flexiones o Curvaturas. Pág.564.6 Ancho de Banda. Pág.594.6.1 Ancho de Banda en Fibras Multimodo. Pág.604.6.2 Ancho de Banda en Fibras Monomodo. Pág.614.7 Longitud de Onda de Corte. Pág.62

TEMA 5. FABRICACIÓN DE LA FIBRA.

5.1 Materiales para la Fabricación de la Fibra Óptica. Pág.655.1.1 Fibras de Vidrio. Pág.655.1.2 Fibras de Vidrio con Revestimiento de Plástico. Pág.665.1.3 Fibras Plásticas. Pág.665.2 Técnicas para la Fabricación de Fibras. Pág.665.2.1 Método de Deposición Modificada de Vapores Químicos (MCVD) ( modified chemicalvapor deposition ). Pág.675.2.2 Deposición Externa de Vapores Químicos (OCVD) ( outside chemical vapor deposition ). Pág.685.2.3 Deposición Axial de Vapores (VAD) (vapour - phase axial deposition). Pág.695.2.4 Deposición de Vapores por plasma (PACVD). Pág.695.2.5 Deposición de Vapores Químicos basado en Calentamiento por Microonda. Pág.705.2.6 Método de Fusión Directa o Doble Crisol. Pág.705.3Estirado. Pág.775.4 Entintado. Pág.775.5 RecubrimientoPrimario. Pág.77

TEMA 6. CABLES DE FIBRA ÓPTICA.

6.1 Propiedades Mecánicas de las Fibras Ópticas. Pág.816.1.1 Esfuerzo. Pág.816.1.2 Humedad. Pág.816.2 Fabricación de un Cable Óptico. Pág.816.2.1 Parámetros más Importantes para Escoger la Estructura y los Elementos que forman un Cable. Pág.816.2.2 Recomendaciones en el Diseño y Construcción del Cable. Pág.826.2.3 Elementos del Cable Óptico. Pág.826.2.4 Estructura Básica de los Cables Ópticos. Pág.876.2.5 Fabricación del Cable. Pág.896.2.6 Pruebas Mecánicas sobre un Cable Óptico. Pág.896.2.7 Fabricantes de Fibra Óptica. Pág.90

2

TEMA 7. INSTALACIÓN DEL CABLE ÓPTICO.

7.1 Tipos de Instalaciones. Pág.937.1.1 Cuidado de la Bobina o Carrete para Conservar las Propiedades del Cable. Pág.937.1.2 Instalación en Subductos. Pág.937.1.2.1 Preparación e Inmersión de Subductos. Pág.937.1.3 Preparativos para la Inmersión del Cable Óptico. Pág.957.1.4 Instalación Manual. Pág.957.1.5 Tendido del Cable con Grúa y Cabrestante Autónomo. Pág.977.2 Instalación Directamente Enterrado. Pág.977.3 Instalación Aérea. Pág.987.3.1 Cable de Fibra Óptica Autosoportado. Pág.987.3.2 Instalación del Cable con Alambre de Sujeción Externo. Pág.1027.4 Instalación de Interiores. Pág.102

TEMA 8. EMPALMES. CAJAS DE EMPALMES Y CONECTORES.

8.1 Identificación de las Fibras. Pág.1058.2 Métodos de Empalmes. Pág.1058.2.1 Empalme por Fusión. Pág.1058.3 cajas (cierres) de Empalme. Pág.1078.4 Conectores. Pág.1078.4.1 Características de los Conectores. Pág.1088.4.2 Tipos de Conectores. Pág.1088.4.3 Conectores SMA905, 906 (Subminiature Tipo A). Pág.1088.4.4 Conectores ST (mini BNC). Pág.1088.4.5 Conectores Bicónicos. Pág.109 8.4.6 Conectores FC. Pág.1098.4.7 Conectores D4. Pág.1098.4.8 Conectores FC / PC (contacto físico). Pág.1098.4.9 Conectores de Excentricidad Ajustable. Pág.1108.5 Pérdidas en los Empalmes y Conectores. Pág.1118.5.1 Diferentes diámetros de los Núcleos. Pág.1118.5.2 Error de Concentricidad Núcleo – Revestimiento. Concentricidad de los Núcleos. Pág.1128.5.3 Diámetro exterior del recubrimiento. Pág.1138.5.4 Distinta Apertura Numérica. Pág.1138.5.5 Desplazamiento Lateral (Falla Radial). Pág.1148.5.6 desplazamiento Angular. Pág.1158.5.7 Separación entre las Dos caras de las Fibras (Falla Axial). Pág.1168.5.8 Calidad en el acabado de las Caras. Pág.1168.6 fabricantes de Conectores. Pág.117

3

TEMA 9. EMISORES Y RECEPTORES ÓPTICOS. AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA.

9.1 Exigencias para los Fotoemisores utilizados en Cx por FO. Pág.1209.2 Parámetros Fundamentales de los Emisores Ópticos. Pág.1219.3 Clasificación de los LED. Pág.1249.3.1 Diodo Emisor de Superficie. Pág.1249.3.2 Diodo de Emisión de Borde de Doble Heterounión. Pág.1269.4 Diodos Láser. Pág.1289.4.1 Clasificación. Pág.1289.4.1.1 Láser de geometría Enterrada, BH. Pág.1299.4.1.2 Láser DFB. Pág.1299.4.1.3 Láser de Confinamiento Óptico y Eléctrico Separados. Pág.1309.4.1.4 Láseres Fabry – Perot (FP): Pág.1319.4.1.5 Láseres Multimodos. Pág.1329.4.1.6 Láser de Inyección Monomodo. Pág.1339.4.1.7 Láseres de Bajo Costo. Pág.1339.4.1.8 Láseres de Altas Prestaciones. Pág.1339.4.1.9 Láseres de Alta Potencia. Pág.1339.4.2 Terminal Emisor. Pág.1349.4.2.1 Circuitos de Excitación de un Láser. Pág.1349.5 Receptores Ópticos. Pág.1399.5.1 Requisitos de los Receptores. Pág.1399.5.2 Terminal Receptor. Pág.1399.5.3 Parámetros de los Fotodetectores. Pág.1419.5.4 Fotodiodo Pin ( positive – intrisic – negative). Pág.439.5.5 Fotodiodo de Avalancha (APD o FDA). Pág.1449.6 Amplificadores de Fibra Óptica (OFA). Pág.1469.6.1 Amplificadores dePotencia (AP). Pág.1469.6.2 Preamplificadores dePotencia (PA). Pág.1479.6.3 Amplificadores de Línea (AL). Pág.147

TEMA 10. MEDICIONES EN LAS COMUNICACIONES POR FIBRA ÓPTICA.

10.1 Medición de Atenuación. Pág.15110.1.1 Medición de la Atenuación por Método de Corte. Pág.15110.1.2 Método de Fibra de Referencia: ( dummy fiber ) o Método de las pérdidas de Inserción. Pág.15210.1.3 Método de Medición por Retrodispersión (backscatering). Pág.15310.1.3.1 Medición en Empalmes y Conectores. Pág.15410.1.3.2 Atenuación Total del Cable. Pág.15510.1.3.3 Medición de la Longitud del Tramo de Fibra. Pág.15610.1.4 Mediciones de Pérdidas de Inserción en Pig – Tails y Jumpers. Pág.15710.2 Medición de Ancho de Banda. Pág.15710.2.1 Técnica en el Dominio del Tiempo. Pág.15710.2.2 Técnica en el Dominio de Frecuencia. Pág.15810.3 Medición de la Apertura Numérica (AN). Pág.159

4

TEMA 11. SISTEMA DE TRANSMISIÓN POR FIBRA ÓPTICA.

11.1 Configuración del Sistema. Pág.16211.2 Diseño de un Sistema de Transmisión a través de Fibra Óptica. Pág.16311.3 Cálculo del Sistema. Pág.163

5

TEMA 1

6

7

1.1 Presentación.

Desde el inicio de los tiempos ha sido indispensable la comunicación entre los seres vivos. Hoy en día las telecomunicaciones engloban a todos aquellos sistemas, equipos y métodos que facilitan la transmisión de la información, generalmente por métodos electrónicos.

La información adquiere la forma de voz, documentos, gráficas, códigos, imágenes y datos, todo ello es susceptible de ser procesado electrónicamente y así hacerlo fluir a los medios de comunicaciones que nos rodean, nos encontramos inmersos entre radios, televisores, cables micro-ondas, satélites e incluso fibras ópticas.

Cada uno de estos medios ha encontrado un lugar y una aplicación particular en las telecomunicaciones, de entre todos ellos destacan las fibras ópticas por sus singulares propiedades: ligeras, compactas, con bajas perdidas, gran capacidad de transmisión de información, libres de interferencias e intercepciones, son la solución de la creciente demanda de canales de comunicación terrestre, tanto para pequeñas como para grandes distancias.

Al igual que muchas otras tecnologías nuevas, es difícil creer que en tan pequeñas dimensiones sea posible transmitir miles de canales telefónicos, o varios canales de televisión, el hecho es que con el desarrollo de la electrónica se ha podido controlar todo el espectro electromagnético, es decir, las ondas de radio, desde el AM y FM, hasta la TV, micro-ondas, infrarrojo, la luz visible, la luz ultravioleta, e incluso los rayos X, ello ha sido posible en parte gracias al desarrollo de las fuentes de luz láser.

Dentro de este contexto apreciamos que la fabricación de las fibras ópticas requiere del adecuado conocimiento y manejo de materiales, controlados en el proceso de producción a través de computadoras, en la verificación de las propiedades de las fibras ópticas, desde su elaboración hasta su cableado e instalación, es igualmente importante el uso de computadoras y fuentes de luz láser, esto se aplica también en los sistemas electrónicos con los cuales se ponen en operación las telecomunicaciones a través de las fibras ópticas.

Es así que se encuentran resumidas en las fibras ópticas las tecnologías de punta presentes en el mundo de hoy, unido a la constante miniaturización de la electrónica la utilización de la fibra óptica en las telecomunicaciones permitirá en una época de grandes satisfacciones tecnológicas.

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TEMA 1. INTRODUCCIÓN.

Fig. 1.1 Comunicación por Fibra Óptica.1.2 Antecedentes Históricos de las Comunicaciones Ópticas.

Año Personaje Aportación

1609 Galileo ( Italia ) Lente de Galileo.1626 Snell ( Holanda ) Ley de Snell.1668 Newton Telescopio de reflexión.1870 Tyndall Guía de Luz con un hilo de agua fino.1873 Maxwell ( GB ) Estudios sobre ondas EM.1888 Hertz ( Alemania ) Confirmación de las OEM y su carácter común con la luz.1897 Rayleigh ( GB ) Análisis de una guía de onda.1930 Lamb ( Alemania ) Experiencia con una fibra de Sílice.1951 Hell, Hopkings y Kapany ( GB ) Tx de una imagen con un conjunto de FO.19581959

Kanapy ( GB ) Fibras ópticas con revestimiento.

1960 Maiman (USA) Funcionamiento del láser de rubí.1960 Javan (USA) Funcionamiento del láser de He – Ne.1961 Kapany y Snitser (GB) Modos de propagación en una FO.1962 USA Funcionamiento láser de semiconductor.1966 Uchida, Kawasaki y Nichizama (Japón) Guía de onda óptica con índice gradual.1970 Kapron y Keck (USA) Fibra con atenuación de 10 dB / Km.1972 Gambling ( GB ) Ancho de banda del orden de GHz en 1Km.1972 Corning Glass Corp. USA FO con atenuación de 7 dB / Km

(0.85 µm). 1973 AT&T Bell Laboratories (USA) FO con atenuación de 2.5 dB / Km

(0.85 µm).1975 Payne y Gambling( GB ) Estudio que prevé una dispersión de material nula a 1.3 µm.1975 AT&T Bell Laboratories (USA) FO con atenuación de 1 dB / Km (1.3 µm).1976 NNT (Japón) FO con atenuación de 0.47 dB / Km a 1.3 µm.1978 Gambling y Matsumura Dispersión nula en fibras UM.1979 Miyachita (Japón) FO con atenuación de 0.2 dB / Km a

1.55 µm.1979 Shimado (Japón) Transmisión por fibra a 100 Km.1981 Beales Dispersión inferiór a 4 ps /nm/ Km en una fibra unimodal.1984 NTT (Japón) FO con atenuación de 0.157 dB / Km a

1.55 µm.

9

1986 NTT (Japón) FO con atenuación de 0.154 dB / Km a 1.55 µm.

Tabla 1.1

1.3 Espectro Electromagnético.

10

1.4 Ventajas de las Comunicaciones por Fibras Ópticas.

11

Ligeras y Compactas. Peso y Tiempo de Instalación.

Espacios pequeños para su instalación, fácil transportación. Un cable de 2400 pares, con diámetro de 80mm, puede ser sustituido por un cable de fibra óptica con diámetro externo de 3.5mm.

Cable Peso Horas - Hombre para Instalarlo

Par de papel 3.5 km de largo 20,650 kg 800Coaxial de 3.5 km de largo 18,620 kg 400

Fibra óptica 350 kg 88

Tabla 1.2

Gran Capacidad de Tx de Información (Ancho de Banda).

Tipo de Cable Capacidad de Tx Conversaciones Simultáneas Teóricas

Par sencillo 1 MHz - Km 300Coaxial 100 MHz - Km 30,000

Fibra óptica 100 GHz - Km 30’000,000

Tabla 1.3

Muy Bajas Pérdidas.

Instalación de varios Km de fibra sin repetidores. Aumenta la fiabilidad del sistema.

Cable Velocidad Tx Mbits / seg Canales Distancia e/ Repetidores (Km)

Cobre 2 30 1.5 - 4Coaxial 140 1920 4.65

850 nm 1300 nm 1550 nmFO MM 2 30 14 - 20 50 -

8 120 10 - 15 47 -34 480 7 - 12 39 -140 1920 7 - 10 15 - 20 -

FO UM 140 1920 - 30 - 40 75560 7600 7 15 - 20 75

2 Gbits 60000 5 21 100

Tabla 1.4

La distancia entre repetidores depende del ancho de banda de la fibra, se han logrado transmisiones con repetidores a 100 Km en la tercera ventana de forma experimental a 2 Gbits / seg.

12

Libre de Interferencia, No necesita Apantallamiento.

Permite un funcionamiento seguro en presencia de campos electromagnéticos e impulsos de radiofrecuencias.

Fig. 1.2Costo.

Fig. 1.3 Tendencia del Costo de los Cables. Fig. 1.4 Costo según Geometría de la FO.

Mayor Calidad y más Velocidad en la Transmisión.Canal Privado sin posibilidades de ser intervenido.La Diafonía en estos Sistemas es despreciable.Alta Estabilidad a la Temperatura.Amplios Campos de Aplicación.Fácil disponibilidad de la Materia Prima (Sílice y Silicatos).

1.5 Aplicaciones de las Fibras Ópticas.

13

Ornato. (Fibra Plástica).Cx en Redes Locales y Vehículos. (Fibra Plástica 0.66 µm).Redes LAN de Cortas Distancias. (FO de Sílice y de Silica Dopada Multimodo GI 0.85 µm).Sensores. (1.24 µm).Redes LAN y WAN de Larga Distancia. (FO de SI MM, GI 1.3 µm).Er - Doped Amplificador de Fibra. (FO de Sílice Unimodo 1.48 µm).Líneas Troncales. (FO Unimodo 1.55 µm).Sistemas de Cables Submarinos. (FO Unimodo 1.55 µm).TV por Cable. (FO Unimodo 1.55 µm).Sensores para Microcurvaturas. (FO Unimodo 1.55 µm).Sistemas para Monitoreo Óptico.Sistemas de Control.Distribución Terrestre de Señales de Satélites.Automatización de Procesos Industriales.Aplicaciones Militares: Cx Estratégicas y a Bordo de Buques.Fibra Óptica hasta el Bucle de Abonado.

Video teléfono. Acceso a computadoras para servicios bancarios, reservaciones de viajes en tren, avión, barco,

reservaciones en hoteles. Acceso a directorio telefónico electrónico, catálogos, y compras en tiendas y supermercados. Varios canales de TV.

Medicina. (Microcirugía, Endoscopía).

1.6. Mercado de las Fibras Ópticas.

Aplicación Porcentaje

Telecomunicaciones 66%Militar 16%

Computación y redes locales 11%Industriales 5%

Otros 2%

Tabla 1.5

1.7 Tendencia de la Fibra Óptica y los Sistemas de Comunicación.

14

GeneraciónVentanay λ (µm)

FOBw

(Gb / Km)Emisores Detectores

Dist. de Tx(Km)

I1 del IR0.8 - 0.9

MM 1LED o LD

GaAs o GaAsAIPIN O APD

Silicio15

II II 1.3 MM 2 - 5LED o LDInGaAsP

PIN O APDGe o

InGaAsP30 - 40

III II 1.3 UM 100 LD de InGaAsPAPD deInGaAsP

75

IV III 1.6 UM 200 a 500LD de InGaAsp

casi monocromáticaAPDde

InGaAsP150 a 200

V II Y III UM 200 a 500Ld monocromático

de InGaAsPAPD deInGaAsP

-400

VI 2 y 4 UMLD monocromático

de InGaAsSb y InAsSbP

1000

Tabla 1.6

I GENERACIÓN : La distancia de Tx entre repetidores está limitada por la dispersión y atenuación dependiendo de la velocidad digital utilizada.II GENERACIÓN : La distancia de Tx entre repetidores está limitada por la dispersión modal.III GENERACIÓN : La distancia de Tx entre repetidores está limitada por atenuación con las actuales jerarquías MIC (140 Y 560 Mb / s).V GENERACIÓN : Utilización de los procesos analógicos de modulación (FSK PSK) y tipo de detección.VI GENERACIÓN : Se emplearán fibra de vidrios haluros (fluoruros, cloruros, etc), con atenuación del orden de 10-3 y 10-4 dB / Km en nuevas ventanas abiertas entre las 2 - 9 micras. Fabricación de láseres monocromáticos a base de seleniuros y teluros de plomo.

Multiplexación por División de la Longitud de Onda (WDM).

EDFA (Er-Doped Fiber Amplifier). Amplificación de la luz de 1.55 µm hasta 40 dB suministrando una señal de luz de 1.48 µm.

15

TEMA 2

16

17

2.1 Refraccciòn. Ley de Snell.

Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes se divide en dos rayos, uno permanece en el medio por donde venía la luz y que es el Rayo Reflejado, el otro penetra en el segundo medio y es el Rayo Refractado.

La luz viaja dentro de un mismo material a una misma velocidad y en una dirección de propagación, al pasar de un medio a otro, no solo cambia su velocidad, sino también la dirección de propagación.

La ley de la refracción nos dice que el rayo incidente, el rayo refractado y la normal en el punto de incidencia están en un mismo plano; la relación entre los ángulos de incidencia y refracción sigue la llamada Ley de Snell que plantea:

n1 Sen ( €1 ) = n2 Sen ( €2 )

Donde:

n1,n2 Índices de Refracción de los medios 1 y 2.

€1, €2 Ángulos de las direcciones de propagación medidos con respecto a la normal (perpendicular) a la frontera entre los dos medios.

La Velocidad de la Luz en la Materia: V = 1 / ( µ € )1/2

La razón entre las velocidades de una onda en el vacío y en la materia es lo que se conoce como Índice de Refracción y está dado por:

n1 = C / V1 n2 = C / V2

Donde:

C Velocidad de la Luz en el Vacío. V1, V2 Velocidad de Propagación de la Luz en los medios 1 y 2.

V = 1 / ( µ0 €0 )1/2 µ0 €0 = 11.12 x 10-18 s2/m2

Donde:

€0 Permeabilidad Eléctrica en el Vacío ( 8.854 x 10-12 Farad / m ). µ0 Permeabilidad Magnética en el Vacío ( 4π x 10-7 Henry /m ).

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TEMA 2. PROPAGACIÓN DE LA LUZ.LEYES DE LA REFRACCIÓN Y

REFLEXIÓN DE LA LUZ.

la Velocidad de la Luz en el Vacío: 3 x 108 m/s.

C = 2.9979 x 108 m/s

n1 < n2

n1 > n2

Fig. 2.1 Refracción de la Luz para n1 < n2.

Si el índice de refracción por donde viaja la luz es mayor que el índice de refracción donde incide la luz, el rayo refractado se aleja de la normal y puede ocurrir el fenómeno de reflexión total para el llamado ángulo límite. Para ángulos mayores que c (ángulo límite), no hay luz refractada, solo se produce reflexión.

Fig. 2.2 Refracción de la Luz para n1 > n2.

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Sustancias Índice de refracción ( n )

Gases 0º CAire 1.000293Helio 1.000036

Hidrógeno 1.000132Bióxido de Carbono 1.00045

Líquidos a 20º CAgua 1.333

Alcohol Etílico (etanol) 1.361Benceno 1.501Sólidos a Temperatura Ambiente

Silica pura 1.458Cloruro de Sodio (NaCl) 1.50

Diamante 2.419Ámbar 1.55

Tabla 2.1 Índice de Refracción de algunas Sustancias.

Variación del Índice de Refracción (n) de Sílica pura con relación a la Longitud de Onda (nm).

( nm )

n( nm

)n

600 1.4580 1300 1.4469700 1.4553 1400 1.4458800 1.4533 1500 1.4446900 1.4518 1600 1.44341000 1.4504 1700 1.44221100 1.4492 1800 1.44091200 1.4481

Tabla 2.2

20

Fig. 2.3 Variación del Índice de Refracción (n) de Sílica pura con relación a la Longitud de Onda ( nm ).2.2 Ángulo Límite o Crítico c .

Ángulo del rayo incidente para el cual, el rayo saliente no se propaga en el 2º medio, sino a lo largo de la frontera entre los dos medios.

Fig. 2.4 Ángulo Crítico.

Sen c = n2 / n1c = Tag-1 ( n2 / A.N. )

2.3 Reflexión Total.

Fig. 2.5 Reflexión Total.

Donde:

€1 = Ángulo de incidencia. €1 = Ángulo de Reflexión. c = Ángulo Crítico.

La Ley de la Reflexión nos dice que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia están en un mismo plano, además el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Reflexión Total: ángulo de incidencia €1 > ángulo crítico c

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TEMA 3

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23

3.1 Estructura de una Fibra Óptica.

24

TEMA 3. TEORÍA DE LAS FIBRAS ÓPTICAS.

3.1.1 Núcleo y Revestimiento.

Forman una sola unidad, siendo ambos de un vidrio de alta pureza, con diferencia en su composición.El Índice de Refracción del Núcleo ( n1 ) > que el Índice de Refracción del Revestimiento ( n2 ). La luz viaja por el núcleo y se refleja sucesivamente en la frontera núcleo/revestimiento, viajando dentro de la

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fibra muchos Km con la mínima atenuación y sin salirse de las mismas, por eso se dice que las FO son Guías de Ondas Óptica.El núcleo define los parámetros ópticos de la fibra (aceptación de la luz, pérdida de la luz y ancho de banda).Revestimiento: Reflejar la luz hacia el centro de la fibra, atrapándola dentro del núcleo.

3.1.2 Protección Primaria.

Capa fina ( 250 - 500 micras ) de acrilatos epóxicos de silicio que se aplica sobre el conjunto núcleo/revestimiento inmediatamente después del estirado para: darle protección mecánica, evitar la adhesión de contaminantes, penetración de la humedad y creación de microfracturas.

Geometría Perfil del índiceMaterial

Núcleo Revestimiento9-10 / 125 SI (Escalòn) Silica dopada Silica dopada 50 / 125 GI (Gradual) Silica dopada Silica dopada62.5 / 125 GI (Gradual) Silica dopada Silica dopada 85 / 125 GI (Gradual) Silica dopada Silica dopada 85 / 125 SI (Escalón) Silica dopada Silica dopada100 / 140 GI (Gradual) Silica dopada Silica dopada200 / 230 SI (Escalón) Vidrio de cuarzo Plástico200 / 250 SI (Escalón) Vidrio de cuarzo Vidrio de cuarzo200 / 280 SI (Escalón) Silica dopada Vidrio de cuarzo200 / 300 SI (Escalón) Silica dopada Silica dopada200 / *** SI (Escalón) Plástico Plástico

Tabla 3.1 Composición Núcleo-Revestimiento.

Plástico más común : PMMA (poli-metil-metacrilato).

3.2 Tipos de Fibras.

Multimodo de Índice Escalonado.Multimodo de Índice Gradual.Monomodo.

26

¿Qué es un Modo de Propagación?

Es cada una de las distintas posibilidades de propagación de la luz en el interior de una guía o fibra, o sea, las diferentes velocidades y direcciones asociadas a todas las longitudes de onda hacen que la radiación de propagación se ordene de una cierta manera. Estas formas de propagación serán más diferenciadas y numerosas mientras mayor diámetro tenga el medio de propagación con relación a la longitud de onda.

El modo de propagación depende de:

Frecuencia de Transmisión ().Diámetro del Núcleo (d).Variación del Índice de Refracción (n).Apertura Numérica (A.N.).

3.2.1 Fibra Multimodo de Índice Escalonado.

Permite el establecimiento de diferentes modos de propagación. Esto ocurre ya que el diámetro del núcleo es varias veces mayor que la longitud de onda ( 0.85 -1.3 µm ).Índice de refracción en el núcleo n1 y en el revestimiento n2 constante. n1 es siempre mayor que n2 y como entre los dos índices se crea un salto se le denomina de índice en escalón. En este tipo de fibra hay un pequeño retardo entre los rayos que inciden paralelos al eje y aquellos que lo hacen con cierto ángulo, debido a la diferencia de distancia recorrida, provocando la deformación del pulso inicial.

n2 = n1 ( 1 - ) = ( n1 – n2 ) / n1

En la frontera entre el núcleo y el revestimiento ocurre una reflexión total interna, el ángulo crítico en este caso será:

sen c = n2 / n1 = 1 - c = sen-1 (1 -

La diferencia de los índices de refracción de las fibras usadas en comunicaciones más común oscila entre 0.007 y 0.02.

Para una fibra SI, el número de modos conducido por la fibra es:

N = 0.5 ( π d AN)2 / 2

Donde:

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d Diámetro del núcleo de la fibra.

En la fibra SI se presentan dos tipos de rayos: Meridionales y Oblicuos.

Rayos Meridionales:

Entran a través del eje de la fibra y quedan contenidos en un plano perpendicular a su sección transversal, deben reflejarse en la frontera entre el núcleo y el revestimiento. Para ello:

0 ≤ sen-1[ n1 ( 2 ½ / n0

L ( ) = l / Cos

Donde:

0 Ángulo de incidencia. L Longitud que recorre el rayo.

Fig. 3.2 Rayos Meridionales.

Rayos Oblicuos:

No entran a través del eje, ni son paralelos a él, sino que se reflejan internamente siguiendo una trayectoria helicoidal.

La ecuación que define al ángulo crítico para rayos oblicuos es:

sen c [ 1- ( rO / a )2 ]1/2 = 1 / n1 ( n12 – n2

2 )1/2

28

Donde:

r0 Distancia del plano al eje. a Radio del núcleo de la fibra.

Fig. 3.3 Rayos Oblicuos.

Se deben procurar diferencias pequeñas entre los índices de refracción del núcleo y elrevestimiento para lograr ángulos críticos grandes, para que los rayos vayan casi paralelos al eje, evitando pérdidas en la capacidad de información de la fibra, ya que los rayos que van por el eje de la fibra y los rayos meridionales se desfasan ligeramente.

29

Fig. 3.4 Transmisión de la Luz por el Interior de una Fibra Óptica Multimodo con Índice Escalonado.

3.2.2 Fibra Multimodo de Índice Gradual.

En esta fibra el índice de refracción va decreciendo gradualmente del eje del núcleo al exterior (ley de variación aproximadamente parabólica), los rayos luminosos no son reflejados sino curvados según se

30

aproximan al revestimiento, los rayos que recorren un trayecto más largo permanecen mas tiempo en la periferia de la fibra donde el índice de refracción es menor y por tanto la velocidad de propagación es mayor, así los rayos que recorren más distancia se desplazan más rápidamente que los que cubren menor distancia. Por tanto todos los rayos llegan casi al mismo tiempo al final del recorrido, con esto se logra menor atenuación. Para una fibra de GI, el número de modos conducido por la fibra es:

N = 0.25 ( π d AN )2 / 2

Las fibras multimodos se utilizan para distancias de hasta 20 Km y no suelen emplearse con regeneradores intermedios. Se usan típicamente para enlaces entre centrales.

Fig. 3.5 Transmisión de la Luz por el Interior de una Fibra Óptica Multimodo con Índice Gradual.

3.2.3 Fibra Óptica Monomodo.

Propagación de un solo modo: Esto se logra por la disminución considerable del diámetro del núcleo que hace que la luz se propague en un haz comprimido, evitando la dispersión modal. Para cables locales, largas

31

distancias y submarinos con posibilidad de Tx de 140 Mbit / s y una distancia entre repetidores de hasta 100 Km.

Hay 3 tipos de Fibras Ópticas Monomodo estandarizadas por la UIT:

1.- Rec. G-652 Fibra Óptica Monomodo Estándar: =1310 nm y=1550 nm. Fibra monomodo cuya longitud de onda de dispersión nula está situada entorno a 1310 nm y que puede utilizarse en 1550 nm.2.- Rec. G-653 Fibra Óptica Monomodo con Dispersión Desplazada: =1550 nm y=1310 nm. Fibra monomodo cuya longitud de onda de dispersión nula está situada entorno a 1550 nm y que puede utilizarse en 1310 nm.3.- Rec. G-654 Fibra Óptica monomodo con pérdida minimizada a 1550 nm.

CaracterísticaFibra Monomodos

UIT – T G.652 UIT – T G.653 UIT – T G.654

Longitud de Onda de Corte( nm )

1100 < c< 1280c máx = 1240

c c máx = 1260 ó 1270c c > 1270

c = 1350 – 1600c c < 1530

Pérdidas por flexión a1500 nm

< 1 db < 0.5 db0 < 1 dB

Coeficiente de Atenuación( db / Km )

= 1310 mn= 1550 nm

= 0.3 – 0.4= 0.15 – 0.25

= 0.3 – 0.4= 0.15 –

0.25= 0.22

Coeficiente de DispersiónCromática: ps / ( nm – Km )

1310 – 1550 nm

D = 4 D = 19

D = 4 D = 19

D = 20

Tabla 3.2 Valores de Fibras Monomodos.

32

Fig. 3.6 Transmisión de la Luz por el Interior de una Fibra Óptica Monomodo.

33

TEMA 4

34

35

Geométricos Ópticos Transmisión

Diámetro del núcleo y revestimiento Perfil del índice de refracción Ancho de bandaNo circularidad del núcleo Apertura numérica Longitud de onda de corte

No circularidad del revestimiento Atenuación espectralExcentricidad

núcleo - revestimiento

Tabla 4.1

4.1 Diámetro del Núcleo y del Revestimiento.

FibraNúcleo d (µm) Revestimiento D ( µm ) Relación de proporción

FO MonomodoUIT – T G.652 9-10 + 10% 125 + 2 µm 0.072 – 0.08UIT – T G.653 7-8.3 + 10% 125 + 2 µm 0.056 – 0.066UIT – T G.654 10.5 + 10% 125 + 2 µm 0.084FO Multimodo 50 + 3 125 + 2 µm 0.40

62.5 + 3 125 + 2 µm 0.5085 125 + 2 µm 0.6885 125 + 2 µm 0.68

100 + 4 140 + 6 0.71200 230 0.86200 250 0.8200 280 0.71200 300 0.66

Tabla 4.2

36

TEMA 4. PARÁMETROS DE LAS FIBRAS.

Fig. 4.1 Disposición Núcleo - Revestimiento.4.2 No Circularidad y Excentricidad del Núcleo y Revestimiento.

FibraNo Circularidad

del Núcleo nn

No Circularidad delRevestimiento nr

ExcentricidadNúcleo – Revestimiento

MM Inferior al 6% Inferior al 2% Inferior al 6%UM - Inferior al 2% Inferior a 1 µm

Tabla 4.3

La no circularidad del núcleo en las FO UM es tan baja que no afecta en las conexiones, ni empalmes por lo que no se especifica.

4.3. Perfil del Índice de Refracción.

Perfil del Índice de Refracción: Índice de Refracción a lo largo de un diámetro de fibra.

La propagación en en las fibras se realiza mediante un fenómeno de guías de ondas, constituido a base de dos índices de refracción n1 y n2 tal que n1 > n2.

Donde:

37

n1 Perfil del Índice del núcleo. n2 Perfil del índice del revestimiento.

Fibras Ópticas de Salto de Índice: n1, n2 presentan os únicos valores discretos y distintos.Fibra Óptica de Índice Gradual: n2 = constante, n1 variable de forma continua decreciendo del

centro hasta el límite con el revestimiento, la variación más usada es la parabólica.

Fibra Óptica UM: el índice de refracción es escalonado.

Geometría Perfil del índice

9-10 / 125 Escalonado 50 / 125 Gradual 62.5 / 125 Gradual 85 / 125 Gradual 85 / 125 Escalonado100 / 140 Gradual200 / 230 Escalonado200 / 250 Escalonado200 / 280 Escalonado200 / 300 Escalonado200 / *** Escalonado

Tabla 4.4 Perfil del Índice de Refracción.

Fig. 4.3 Perfiles del Índice de Refracción de las Fibras Ópticas.

38

4.4 Apertura Numérica. Cono de Aceptancia de la Luz.

Apertura Numérica: Se define como la mitad del ángulo dentro del cual un haz de luz incidente en la fibra logra la condición de reflexión total interna.

Cono de Aceptación: La fibra solo conducirá los rayos que formen ángulos con el eje inferior a la gereatriz de un determinado cono, llamado Cono de Aceptación.

Geometría de la Fibra( µm )

Apertura NumércaÁngulo de Aceptación

( grados )Ángulo Crítico

( grados ) 8 / 125 0.11 + 0.015 6.32 85.74 50 / 125 0.20 + 0.015 11.54 82.2562.5 / 125 0.275 + 0.015 15.96 79.32100 / 140 0.29 + 0.015 16.86 78.73200 / 230 0.20 + 0.015 11.54 82.25200 / 250 0.30 + 0.015200 / 280 0.40 + 0.015200 / 300 0.45 + 0.015 26.74 72.35

Tabla 4.5 Geometría de las Fibras y Apertura Numérica.

Aplicando la Ley de Snell en el punto P tenemos:

39

Apertura Numérica: Valor del seno del ángulo en que incide la luz sobre la cara externa del núcleo de la fibra.

A medida que aumenta la AN de la fibra, mas eficiente sería el acoplamiento del emisor y la fibra, pero un gran número de modos pueden propagarse por la fibra.

Fig. 4.4 Apertura Numérica y Cono de Aceptancia.

Donde:

Ángulo de Aceptación.

c Ángulo Crítico.

4.5 Atenuación Espectral.

Atenuación Espectral: Pérdidas en la FO en un rango de . La atenuación de una

40

sección de cable viene dada por:

Donde:

e = Ne as

c = Nc ac

n Coeficiente de Atenuación de la Fibra.

e Coeficiente de Atenuación debido a los Empalmes.

c Coeficiente de Atenuación debido a los Conectores.

Ln Longitud de la Fibra.

m Número Total de Fibras.

As Pérdida Media por Empalme ( 0.3 dB ).

Ne Número de Empalmes en la Sección de Cable.

ac Pérdida Media de los Conectores en Línea ( 1 dB ).

Nc Número de Conectores en Línea en la Sección de Cable.

Coeficiente de Atenuación ( db / Km ):

( )= 10 log ( P1 / P2 ) / L

Donde:

P1, P2 Potencia Luminosa en sección 1 y 2.

L Distancia entre los puntos 1 y2 .

Causas que provocan atenuaciones en una Fibra Óptica:

1. Pérdidas por Absorción: Intrínseca y Extrínseca.2. Pérdidas por Dispersión: Esparcimiento de Rayleigh, Raman y Brillouin. Temporal: Modal. Cromática: Material y Guía Onda.3. Pérdidas por Reflexión de Fresnel.4. Pérdidas por Microcurvaturas.5. Pérdidas por Flexiones o Curvaturas.6. Pérdidas por Empalmes.7. Pérdidas por Conexión (conectores).

41

Fig. 4.5 Causas que Originan Pérdidas en la Fibra Óptica.

42

Fig. 4.6 Diagrama de Atenuación de una Fibra Monomodo.

4.5.1 Pérdidas por Absorción Intrínseca.

Absorciones de las radiaciones que poseen energía suficiente para excitar saltos de electrones de unas órbitas a otras propias de los materiales constituyentes de la fibra, tanto el básico como de las impurezas.

Absorción en el Infrarrojo: Se debe a los modos de vibración de la red cristalina.

IR = D1 e-D2 /

Donde:

D1, D2 Constantes que dependen de las Masas de los Átomos situados en los Nudos de la Red Cristalina.

43

Fig. 4.7

En el Ultravioleta: Tienen poca influencia en la zona de trabajo de las FO.

Absorción del sílice.= 0.049 e2.3 /

Absorción de las impurezas.

4.5.2 Pérdidas por Absorción Extrínseca.

Presencia del Ion Negativo OH- del Agua. Se manifiesta principalmente en las fibras de sílice y borosilicato de calcio. En el vidrio da lugar a vibraciones armónicas, lo cual produce pérdidas a mayo- res . Paraoperar a mayores hay que rebajar o eliminar el contenido del ion OH-. La frecuencia fundamental de vibración del ion OH- corresponde a una = 2800 nm, son problemáticos los armónicos superiores a 945 y 720 nm. La Atenuación por efecto del ion OH- se expresa:

IR, OH = 25.5 * 108 COH e -28.49 / dB / Km

Donde:

COH Concentración Residual de OH-.

44

Fig. 4.8 Pérdidas por el Ion OH-.

Presencia de Iones de Impurezas de Diferentes Metales.

Convierten parte de la energía luminosa en calor. Los iones de ciertos Metales: Hierro (Fe), Cobre (Cu), Cromo (Cr), Manganeso (Mn), Níquel (Ni) y Cobalto (Co), dan absorciones muy diferentes según la y la composición del vidrio, porcentajes tan bajos como 10 milésimas de millón de impurezas pueden dar atenuaciones adicionales del 1 dB / Km.

Impurezasnm

Pérdidas ( dB / Km )Silicatode Boro

SíliceFundida

Fe 1100 5 130Cu 800 500 22Cr 650 25 1300Co 700 10 24Ni 1200 200 27Mn 500 11 60OH- 720 15 10

942 15 10

Tabla 4.6 Pérdidas por Absorción de Impurezas en el Vidrio.

45

Fig. 4.9 Pérdidas por Impurezas.

4.5.3 Pérdidas por Esparcimiento de Rayleigh. Luz de Tyndall.

Cuando la luz se propaga a través de una material no completamente homogéneo la luz puede verse en otras direcciones distintas a la dirección de propagación. Dispersión de Rayleigh. La luz emitida se llama Luz de Tyndall.

Causas:

Diferencias en el diámetro del núcleo.La existencia de pequeñas partículas y zonas no homogéneas (impurezas), que provocan pequeñas variaciones del índice de refracción del núcleo n1.Presencia de burbujas o de elementos extraños en el proceso de fabricación, comparables con el tamaño de la . En principio puede ser eliminada totalmente.

Esto provoca transferencia de potencia de unos modos a otros siendo los receptores los modos de orden superior algunos de los cuales se pierden en el revestimiento, mermando la energía transmitida por el núcleo. Parte de la energía dispersada, sigue en la dirección de propagación, parte en dirección contraria y el resto se pierde atravesando el revestimiento.

46

Fig. 4.10 Pérdidas por Esparcimiento de Rayleigh.

Fig. 4.11 Pérdidas por esparcimiento.

La expresión que cuantifica el fenómeno es el siguiente:

dRay = dd + di

Donde:

dd Coeficiente de Atenuación por Dispersión debida a las Variaciones de la Densidad para una Fibra de Sílice. di Coeficiente de Atenuación por Dispersión debida a las Variaciones de la Densidad para una Fibra de las Impurezas (dopantes).

dd = 8 π3K n18 p1

2 c T1 / 34 = 0.5466 (n12 – 1 )2 / 4 ( dB / Km )

Donde:

K Constante de Boltzmann. p1 Coeficiente fotoelástico. Para el SiO2 = 0.286. c Compresibilidad isotérmica del material. Para SiO2 = 6.9 * 10-11 m2 / J. T1 Temperatura crítica para la cual las fluctuaciones termodinámicas de densidad quedad congeladas al comenzar el proceso de solidificación de una sustancia. Para

47

el SiO2 T1 = 1400°K. Longitud de Onda de Trabajo (µm).

dl = ( GeO2 ) = 3.015 C ( 1 - C ) / 4 dB / Km . % mol.dl = ( p2O5 ) = 0.253 C ( 1 - C ) / 4 dB / Km . % mol.

Donde:

C % de la Concentración de moléculas de impurezas.

4.5.4 Dispersión Estimulada de Raman y de Brillouin.

Son efectos que pueden influir en la Tx si la señal luminosa está por encima de cierto nivel umbral de densidad de potencia ya que surgen modos cuyas componentes espectrales no estaban en la señal de entrada.

La dispersión estimulada de Raman es fundamentalmente en dirección del sentido de la propagación y la de Brillouin en sentido contrario.

El umbral está relacionado con el diámetro del núcleo, la , la atenuación y el ancho de banda de la fuente.

Umbral de Potencia Ibra Monomodo 2a = 10 Fibra Multimodo 2a = 50

De Brillouin 9.8 mw 440 mwDe Raman 3.3 mw 150 mw

Tabla 4.7 Umbrales de Dispersión Estimulada para Dos Tipos de Fibras de SiO2.

4.5.5 Dispersión Temporal.

48

L2M

2C2

Donde:

L Dispersión Temporal para un largo de Fibra. M Dispersión Modal. C Dispersión Cromática.

4.5.5.1 Dispersión Modal o Intermodal.

Dispersión Modal. Se debe al número de modos que viajan dentro de la fibra y a la diferencia de velocidades entre uno y otro. Los distintos modos viajan distancias diferentes dentro de la fibra y llegan al otro extremo en tiempos diferentes, lo cual afecta el ancho de banda de la fibra. Predomina en las Fibras Multimodo. Las Fibras Monomodo no tienen este problema.

Factores que influyen en esta dispersión:

Diámetro de la Fibra. Apertura Numérica. Perfil del Índice de Refracción.

modal (SI ) = 0.5 AN2 / C n2 modal ( GI )n1 / 8C

Donde:

= n1 – n2 / n2

49

El efecto de la dispersión modal no es lineal con la longitud de la fibra: modal ( L )modal LE

Donde:

E Parámetro relacionado con la mezcla y equilibrio modal ( 0.5 – 1 ). se le denomina Factor de Concatenación y se designa también con . para una fibra de índice en escalón 0.5. Para una fibra de índice gradual 0.7

La velocidad lineal es: Vn = C / n1

La velocidad de fase en dirección axial del rayo que se propaga en zig-zag es:

Vx = Vn Cos c = C n2 / n1

Si t1 y t2 son los tiempos que tardan ambos rayos en recorrer la fibra de longitud 1, se tiene:

t1 = L / Vn t2= L / Vx

El intervalo t que separa la llegada de los rayos al otro extremo de fibra es:

t = t2 – t1 L / C n1 ( n1 / n2 – 1 )

Ej: n1 = 1.48 y n2 = 1.46

El rayo axial recorre 1 Km, el que realiza la trayectoria en zig-zag camina aproximadamente 14 m màs. Lo cual implica un retardo de 69 ns. Si analizamos una Tx a 140 Mbits / s donde el perìodo de repetición de los impulsos es menor de 8 ns tal fibra es ineficaz ya que se producirà una interferencia entre símbolos (interpretación de un bit por otro) por defecto de ancho de banda.

50

Fig. 4.12 Efecto de la Dispersión Modal.

51

Fig 4.13 Efecto de la Dispersión en una Tx Digital.

Potencia Inyectada a la Fibra. Equilibrio Modal.

La potencia inyectada a al fibra depende de: tipo de fuente y apertura numérica.

Para una fuente de luz con un lóbuo de radiación Lambertiano: P= P0 Cos

Donde:

P0 Potencia del emisor en la dirección normal a la superficie del foco emisor.

Fig. 4.14 Lóbulo de Emisión de una Fuente de Lambert.

52

Pmax = Se Po ( AN )2 para Se < Sn

Pmax = Sn Po ( AN )2 para Se > Sn

Donde:

Pmax Potencia màxima a inyectar. Se y Sn Superficie transversal del emisor y del núcleo de la fibra.

Acoplamiento Modal. Transferencia de energía entre modos próximos y siempre desde los de menor orden a los de orden superior, alterándose la distribución

de la misma en el núcleo de la fibra.

Ocurre debido a la presencia de irregularidades:

Geométricas como cambios bruscos de dirección. Factores físicos-químicos (burbujas impurezas, variación localizada del índice de refracción). Constructivas o debidas a manipulaciones durante la fabricación, instalación y el servicio.

4.5.5.2 Dispersión Cromática.

Dispersión Cromática: Dispersión de un impulso luminoso por unidad de anchura espectral de la fuente causada en una fibra óptica por las diferentes velocidades de las

diferentes longitudes de onda que componen el espectro de la fuente y depende de:

Forma de variación del Índice de refracción. Longitud de onda. Ancho Espectral de la fuente.

cmaterial + guiaonda

Fig. 4.15 Dispersión Cromática.

53

4.5.5.2.1 Dispersión Cromática debido al Material.

Ensanchamiento del pulso originado por la fuente de luz. La luz emitida por la fuente no es monocromática, sino con un determinado ancho espectral, teniendo en cuenta que el vidrio es un material dispersivo que cambia su índice de refracción en función de la longitud de onda. Si varia , hay diferentes velocidades de propagación en el material.

material = L () / 2.35

Donde:

L Largo de la Fibra. Ancho Espectral ( LD = 2 – 5nm, LED = 50 – 80 nm ). A() Coeficiente de Dispersión del material ( ps/ km*nm ) 0 para =y = 1.6según la Fig. 4.13.

La dispersión del material se mantendrá pequeña si el ancho espectral de la radiación lo es.

4.5.5.2.2 Dispersión Cromática debido a la Guía de Onda.

Asociada con los efectos de la estructura de la fibra que surgen en el proceso de fabricación, tales como:

Variaciones en el diámetro de la fibra.Elipticidad del núcleo Rugosidad en el interfase núcleo –revestimiento.

Estos efectos provocan acoplamiento entre modos , los cuales pueden incidir con un ángulo mayor al límite de reflexión total y refractuarse fuera del revestimiento por lo que son severamente atenuados y desaparecen .

guiaonda = -L G( / 2.35 G() = / 4 π2Ca2n1

Donde:

G() Coeficiente de Dispersión por Guiaonda. C Velocidad de la Luz. a Diámetro del Núcleo.

c = L (M-G) /2.35

54

Donde:

M – G= D

c = L D / 2.35

Para FO Multimodo.

cmodal+ material

Para FO Monomodo.

c = 2GO + 2

material

FibraVentanas de Trabajo (

850 nm 1310 nm 1500 nm

Monomodo - Cromática 3.5 – 5 ps / nm*km Cromática 19 – 20 ps / nm*km

MultimodoModal y Cromática≤ 120 ps / nm*km

Modal y Material ≤ 6 ps /nm*km -

Tabla 4.8 Dispersión en las Distintas Fibras.

Dispersión Modal FO MM SI > FO MM GI > FO UM Dispersión Material en FO GI> SI

Coeficiente de Dispersión Cromática para:

Fibra UM Estándar .Según recomendación UIT – T G 562.

D( ) min = Somax / 4 ( - omin4 / 3 ) D( ) max = Somax / 4 (-omax

4 / 3)

Exactas para = 1270 - 1340 nm . Menos exacta en 1550 nm.

omin = 1300 nm omax = 1324 nm.

Somax = 0.093 ps / nm2*km.

Fibra UM con Dispersión Desplazada . Según recomendación UIT-T G 563.

55

D ( ) = ( - o ) So So < Somax se especifica para Somax

La longitud de onda de dispersión nula viene especificada para 1500nm y su máxima tolerancia omax por encima y por debajo se considera simétrico. 1550 – omax < o < 1550 + omax el máximo valor absoluto del coeficiente de dispersión Dmax se específica con respecto a la anchura de ventana especificada w por encima y por debajo de 1550 nm .

1550 - w < < 1550 + w

Somax ≤ 50nm Somax 0.085 ps / nm*kmD = 3.5 ps / nm * km entre 1525 y 1575 .w = 25 nm.

Fibra UM con Pérdidas Minimizadas a = 1550 nm. Recomendación UIT-T G .654

D() = S1550 ( - 1550 ) + D1550

Exactas para = 1550 - 1600nm. No aplicables a = 1300nm.

Definiciones Relativas a la Dispersión Cromática.

Coeficiente de Dispersión Cromática (D): La Dispersión Cromática es medida en términos de pico segundos del pulso de la luz dispersado por nanómetro de ancho del haz del láser por Km, de fibra de longitud: ps / ( nm*km ).

D = M() – G( )

Pendiente de Dispersión Nula (So): Pendiente del coeficiente de dispersión cromática en función de la curva de longitud de onda de dispersión nula.

Somax = 0.093 ps / nm2*km

Longitud de Onda de Dispersión Nula (o): Longitud de onda a la que desaparece la dispersión cromática.

Desplazamiento de la Longitud de Onda de la Fuente: Diferencia absoluta entre la longitud de onda de trabajo de la fuente y 1550 nm,

56

para las fibras de la recomendación G.653 (fibras con dispersión desplazada).

Desplazamiento de la Dispersión: Desplazamiento absoluto de la longitud de onda de dispersión nula con respecto a1 1550 nm, solo para las fibras de la recomendación G.653.

4.5.6 Pérdidas por Reflexión de Fresnel .

No toda la luz que incide perpendicularmente sobre una superficie puede penetrarla ya que una parte será reflejada .

Fig.4.16. Pérdidas de Fresnel.

Pérdidas de Fresnel = -10 log P2 / P0 = -10 log 4 n1 n2 / ( n1 + n2 )2

P2 = [ 4 n1 n2 / ( n1 + n2 )2 ] P0

La expresión general del factor de perdidas por reflexión de Fresnel es:

f = [ ( nf - n0 ) / ( nf + n0 ) ]2

57

Donde:

nf Índice de Refracción del Medio por donde viaja la Luz.

nO Índice de Refracción en el cual Incide la Luz.

4.5.7 Pérdidas por Microcurvaturas.

Microcurvaturas : Desviaciones aleatorias microscópicas del eje de la fibra producidas por fuerzas laterales localizadas a lo largo de la misma durante la manufacturación , cableado e instalación y por variaciones dimensionales de los materiales del cable debido a cambios de temperatura.

La sensibilidad de la fibra a las microcurvaturas depende de : diferencia del índice de refracción , diámetros del núcleo y revestimiento .

Pérdidas de Microcurvaturas: Por defectos geométricos que provocan el acoplamiento entre modos(<0,2dB /Km).

Donde:

Rm Radio de Microcurvatura (4-30mm).

E Módulo de Elasticidad de la Fibra

I Momento de la Inercia de la Fibra

Mp Momento con el que la Fibra se apoya en la Superficie .

n Diferencia Relativa de los Índices de Refracción . ( núcleo – revestimiento ) = ( n1 - n2 ) / n1

Relación del radio de microcurvatura con las pérdidas de la potencia óptica a lo largo de la fibra:

58

Fig. 4.17 Pérdidas de Luz en el Núcleo por Microcurvaturas.

Estas Pérdidas pueden ser Alimentadas ó Limitadas.

Evitar cargas o esfuerzos mecánicos sobre las fibras. Aislar la fibra de los demás elementos del cable aumentando el de su cubierta , y su capacidad para

soportar mayores tensiones antes de que aparezcan las microcurvaturas. Disminuir el radio del Núcleo para reducir el coeficiente de atenuación. Minimizando la tensión o ala resistencia a la tracción dentro de la fibra por medio de un diseño adecuado

de la estructura del cable óptico. Logrando un cuidadoso proceso de cableado.

4.5.8. Pérdidas por Flexiones ó Curvaturas.

El curvado de una fibra óptica es causado:

En la Manufactura del Cable.Por Dobleces durante la Instalación.

Estás pérdidas son causadas por radiación de los modos guiados que dependen de los parámetros de fibra y de su radio de la fibra y de su radio de curvatura , produciendo un decremento exponencial de la potencia óptica a medida que aumenta la distancia desde el núcleo .

Donde:

Diferencia Relativa entre los Índices n1 y n2

E Constante de Propagación del Modo.

R Radio de Curvatura Continuo = 50 - 60 mm.

El resultado queda determinado por el diámetro de la fibra y el valor de su apertura numérica .Para el caso de un cable de fibras óticas el radio de curvatura nunca debe ser inferior a 20 veces el diámetro del cable .

59

Radio Mínimo de Curvatura en una Fibra Óptica:

El radio mínimo de curvatura puede calcularse de la siguiente forma a partir de la Fig. 4.16:

Como OA / sen = OB / sen ( 90º + ) donde OA = R y OB = R + D / 2

R / sen = ( R + D / 2 ) cos

Aplicando la ley de Snell en el punto A tenemos: n sen = n2 sen y sustituyendo n = 1:

sen / sen = n2 sen = sen / n2

sen2 + cos 2 = 1

Sustituyendo: cos = (1- sen2 )1/2 = (1-sen2 / n22 )1/2

Sustituyendo en la expresión tenemos: R / ( n1 / n2 ) = ( R+D/2 ) / [1-( sen2 / n22 )]1/2

R n2 / n1 = ( R+D/2 ) / [1-(sen2 / n22)]1/2 R = D /2( ( n2

2 / n12-sen2 /n1

2)1/2-1 )

Esta expresión nos da el radio de curvatura permisible para que se produzca reflexión total interna pero como en general es muy pequeño la expresión anterior se puede simplificar y llevar a la forma siguiente:

R = D / 2 [( n2 / n1 )-1]

Veamos algunos ejemplos que resultan ilustrativos :

n1=1.3 y n2=1.05 R=3.25 Dn1=1.4 y n2=1.5 R=7.00 Dn1=1.485 y n2=1.5 R=49.5 D

60

Como veremos en la medida en que se aproximan a los valores de n1 y n2 el radio de curvatura mínimo aumenta. Cuanto menor es el radio del núcleo de la fibra el curvado puede hacerse mayor.

Fig. 4.18 Radio Mínimo de Curvatura.

Atenuación (dB /Km)

Fig. 4.19 Características Atenuación en Función del Diámetro del Núcleo.

FibraAtenuación.

850nm 1300nm 1550nm

8/125 -<1

(0.33-0.44)<0.5

(0.19-0.28)50/125 2.4-3 0.6-1.2

62.5/125 3-3.8 0.7-1.5100/140 3.5-4.5 2.5-3.5200/230 8

Tabla 4.9 Pérdidas en los Diferentes Tipos de Fibras Ópticas.

61

Fig. 4.20 Historia de la Reducción de las Pérdidas en Fibra Óptica.

4.6 Ancho de Banda.

Capacidad de respuesta de frecuencia hasta el `punto donde la señal de salida baja -3dB con respecto al máximo.

Fig. 4.21 Ancho de Banda.

62

El ancho de banda está relacionado con:

Dispersión Modal.Dispersión Cromática.Perfil del Índice. Microdesviaciones de la Fibra con el Uso e Instalación.

4.6.1 Ancho de Banda en fibras Miltimodo.

En efecto más importante es la dispersión modal, lo cual se compensa al hacer el núcleo de índice gradual. La dispersión cromática debido al material se puede disminuir utilizando 1270 nm. La dispersión Cromática por guíaonda prácticamente despreciable.

Bw (GHz) = 0.187 /L = 0.187 / [( modal )2 + ( cromática )2 ] 1/2

Bw (GHz) = 0.187 / 0.187 L E / Bm )2 + (.D.L / 2.35 )2]1/2

Bw (GHz) = 1 / [ ( LE / Bm )2 + ( . D. L / 0.44 )2 ] 1/2

Donde:

Anchura Espectral de la fuente (nm).

D() Coeficiente de dispersión Cromática.

L Largo de la Fibra.

La relación entre el Bw total y el Bw por Km (Bwo) es:

Bw = Bwo ( L / LO )-E

Donde:

Bw Ancho de Banda Total .

Bwo Es el Ancho de Banda para un Lo

L Longitud de la Fibra ya empalmada

Lo Es un Km de fibra

E 0.5 ≤ E ≤ 1.

En los sistemas de FO existe lo que ser llama el codificador de línea NB-MB que transforma cada bloque de N bits en un bloque de M bits. Si usamos por ejemplo el Código 5B -6B equivalente a pasar de 34 MHz ( eléctrico ) a 34 X 6/5 Mbits/s ópticos. Se utiliza la siguiente expresión para el cálculo del Bw :

Bw total sección ( MHz ) = Bw CARACTERÍSTICO / LE ( MHz..Km )

63

Ejemplo:

Sistema de 34 Mbits / s y una longitud de 12 Km se requiere una fibra óptica deun Bw:

Bw CARACTERÍSTICO ( MHz .Km ) = Bw total sección ( MHz ) x L 0.9

= 34 X 4/3 X 12 0.9 = 424 MHz .Km

4.6.2 Ancho de Banda en Fibras Monomodo

Dado que es una fibra monomodo se transmite solamente un modo el factor más importante en estas fibra es la dispersión cromática .

Bw ( GHz ) = 0.187 / L = 0.187 / [ ( cromática ) 2]1/2

Bw ( GHz ) = 0.187 / [(.D .L / 2.35 )]1/2 = 0.44 / .D .L

Ejemplo:

A una longitud de inda de trabajo de 1300 nm con un disp., de 3.5 ps/nm.m , un ancho espectral láser de 2nm y un largo del enlace de 50 km, el Bw será de 540 MHz . Un sistema óptico de comunicaciones tiene alrededor de 1:1.05 de relación de conversión de Bw a razón de bits . Un sistema de 540 MHZ puede operar a 565 Mbits / s. ( 540 x 1.05 = 567 Mbits / s.).

FibraTx LED Tx LASER.

850nm 1300nm 850nm 1300nm 1550nmUM 8/125 - - - 10 000 100 GHz (2 GHz)MM50/125 200 600 200-800(400) 400-1500 (800) -

62.5/125 80 400 100-200(160) 200-600 (500) -100/140 50 250 100 100-500(300) -200/230 20 - - - -

Tabla 4.10 Ancho de Banda en MHz / Km.

64

4.7 Longitud de Onda de Corte.

Longitud de onda que define la operación de la fibra en régimen MM o UM y depende de :diseño de la fibra y estructura del cable . Si se opera a una s c el comportamiento de la FO será multimodo ya que se permitirá la propagación de un segundo modo de orden superior y aumentaría la dispersión modal y por tanto la atenuación . Si para la sección de cable más corta (conexión con fuentes y detectores, puentes de interconexiones ) se cumple que: s > c se asegura el comportamiento unimodal de la Fo en cada sección del cable . La c de una fibra UM, es afectado por cualquier flexión inducida en la fibra , tal como puede ocurrir en el proceso del cableado . Si c es muy baja , esta flexión puede producir una atenuación extra en valores de longitud de onda > que 1300 nm.

Tipos útiles de longitud de onda de corte : c = se determina por un método de prueba de referencia cc = se determina por un RTM pero sobre un largo de fibra cableada.

c > cc en decenas de nm c = πd AN / 2.405

Características Fibras

EstándarUIT-T G.652

Dispersión desplazadaUIT-T G.653

Pérdidas minimizadas a 1550 nmUIT-T G.654

Longitud de Onda de Corte

(nm).

1100< c<1280c máx =1240

cc máx =1260-1270Cc >1270

C=1350-1600Cc<1530

Tabla 4.11

c máx = 1240 nm medida en condiciones RTM UIT-T G.650 para asegurar la Tx UM en empalmes de fibras de cualquier longitud y bajo cuales quiera condiciones de instalación .

Las pérdidas por flexión se refiere al montaje de las fibras en las instalaciones reales, 100 vueltas enrolladas en un radio de 37.5 mm.La cc > 1270 nm en la FO UM con dispersión desplazada no garantiza el funcionamiento en 1310 nm. Para esto deben definirse límites de c y cc .

65

TEMA 5

66

67

5.1 Materiales para la Fabricación de la Fibra Óptica.

Requisitos:

Que pueda ser transformado en fibras largas, delgadas y flexibles.Que sea transparente en una particular, para que la fibra conduzca eficientemente la luz.Se deben escoger materiales físicamente compatibles entre sí, pero con pequeñas diferencias en sus

índices de refracción. El vidrio y el plástico son los materiales que mejor satisfacen estos requisitos.

5.1.1 Fibras de Vidrio.

El vidrio más usado es el cuarzo o silicio ( SiO2), la materia prima del cuarzo puro (vidrio de cuarzo o vidrio fundido).

Para producir materiales compatibles con el cuarzo, de índice de refracción ligeramente diferentes, se agrega al material Flúor o algunos otros dopantes como: B2O3, GeO2, P2O5, TiO2, Al2O3

Al agregar GeO2, P2O5 el índice de refracción aumenta.

Al agregar Fluor o B2O3 el índice de refracción disminuye.

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TEMA 5. FABRICACIÓN DE LA FIBRA

Fig. 5.1 Concentración de Dopantes contra Índice de Refracción.

Núcleo Revestimiento

GeO2 – SiO2 SiO2

P2O5 – SiO2 SiO2

SiO2 B2O3 – SiO2

GeO2 – B2O3 – SiO2 B2O3 – SiO2

Tabla 5.1 Ejemplos de composición de la Fibra.

5.1.2 Fibras de Vidrio con Revestimiento de Plástico.

Se utilizan en transmisiones a corta distancia donde las altas pèrdidas son tolerables, aprovechando su bajo costo.

Núcleo: Cuarzo.Revestimiento: Plástico con menor n, son llamadoas “Fibras PCS” (plastic Clad Silica)

5.1.3 Fibras Plásticas.

Las fibras totalmente plásticas son utilizadas para enlaces muy cortos (hasta 100m) y su costo es muy bajo.

5.2 Técnicas para la Fabricación de Fibras.

69

1. Preformas: Proceso es de deposición de vapores.

Mètodo de Deposición modificada de vapores químicos (MCVD).Deposición Externas de Vapores Químicos (OCVD).Deposición axial de Vapores (VAD).Método de Deposición de Vapores por plasma (PCVD).Deposición de Vapores Químicos basados en el calentamiento por microondas.

2. Mètodo de Fusión Directa o Doble Crisol.

5.2.1 Método de Deposición Modificada de Vapores Químicos (MCVD) ( modified chemical vapor deposition).

El proceso comienza con una barra fundida de cuarzo de 30-50 mm de largo y 1 – 2 cm de diámetro de alta pureza. El tubo se lava con HF (ácido fluorídrico) y agua desionizada para eliminar irregularidades e impurezas que puedan generar burbujas, se monta en un torno especial con una velocidad angular controlada y se calienta con uno o varios quemadores.

Pulido con fuego a lo largo del tubo para eliminar las irregularidades y cualquier burbuja que pudieran quedar en el tubo, se suministra un gas portador ( O2, N2 ), el cual recoge los vapores de SiCl4, GeCl4, POCl3 (halogenuros). El tubo está en rotación, aplicándosele una llama externa (1500 ºC) a base de O2 e H2, este quemador está en movimiento a lo largo del tubo, provocando la reacción química de los halogenuros de metal con el O2 , formando partículas de vidrio que se depositan delante del quemador (óxidos de Si, Ge, P). El desplazamiento de la llama en la misma dirección del flujo de gas hace que se formen de 50 a 100 capas de material. La primera capa consiste en una película de cuarzo puro entre 10 y 15 µm que evita la fuga de OH- de la superficie del tubo a la porción central de la futura fibra, previendo así un incremento de las pérdidas. La composición de cada capa puede variar en cada ciclo.

Agregando dopantes al flujo de gas con programas apropiados de deposición se pueden fabricar preformas de índice gradual o escalonado. Para alcanzar una textura vítrea se realiza un proceso de sinterizado viscoso (aglomeración del polvo por calor). El tubo hueco, es colapsado mediante el calentamiento externo a la temperatura de ablandamiento del cuarzo, formando una varilla sólida llamada preforma. Para llevar a cabo un colapsado completo, se realizan varios desplazamientos del quemador en sentido opuesto al desplazamiento empleado en la deposición a 1900 – 2100 ºC.

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Se toman las dimensiones de la preforma, se revisa que esta no contenga burbujas y se coloca en un lugar limpio para un estirado posterior.

Ventajas. Desventajas.

Baja contaminación por la deposición dentro del tubo.

Posibilidad de eliminar parcialmente los elementos OH-.

Proceso flexible, fácil de entender ymodelar.

Se pueden obtener fibras UM, y con alta A.N.

Proceso no continuo. Tubos de cuarzo, los cuales deben ser de alta pureza. Baja eficiencia de deposición de

GeO2 ( 10 – 20% ). Tamaño de preforma limitado.

5.2.2 Deposición Externa de Vapores Químicos (OCVD) (outside chemical vapor deposition).

Las partículas de vidrio (gases dopantes), se depositan lateral y externamente, juntándose para formar una preforma porosa alrededor de un miembro central. Al reaccionar los halogenuros con el oxígeno y la llama forma una capa de partículas llamada Tizne que se deposita en un mandril hecho de varilla de grafito o cerámica, la cual es montada en un torno para ser rotada. El tizne se adhiere en un estado de sinterizado parcial formando así capa por capa una preforma de vidrio cilíndrica y porosa. La composición del vidrio y las dimensiones del núcleo y del revestimiento se logran controlando los componentes de los vapores de halogenuros, elaborándose preformas de índice gradual y escalonado.

Finalizando el proceso de deposición, el mandril se retira de la preforma y se sinteriza el tubo de vidrio poroso en una atmósfera seca a una tº de 1400 ºC. la preforma ya transparente se monta en una torre de estirado, para convertirse en fibra.

Ventajas. Desventajas.

Buen control del perfil del Índice delÍndice de Refracción.

No es necesario un paso separado de colapsado y estirado.

Se tolera utiloizar materia prima con con-Taminación de H2.

No se necesitan tubos de cuarzo. Buen control de las dimensiones. Posibilidad de elaborar grandes preformas.

Control de la atmósfera en el estirado si la preforma tiene el orificio central.

Fibras con altas apreturas numèricas. Control coplejo de la deposición. Se obtienen fibras que se fracturan con

shocks térmicos.

71

5.2.3 Deposición Axial de Vapores (VAD) (vapor phase axial deposition).

Las partículas de vidrio se depositan sobre una vertical rotatoria alimentada de abajo hacia arriba esta varilla es normalmente de cuarzo. Al igual que en el método OCVD el quemador tiene varias salidas de donde surgen los vapores de halogenuros. En este caso el quemador permanece inmóvil. A medida que las partículas emergen de los quemadores y se adhieren a la varilla de vidrio, crece una preforma porosa en dirección axial, al desplazarse la varilla hacia arriba, la varilla es rotada en forma continua para mantener una simetría cilíndrica en la deposición de las partículas. Para producir fibras UM se utilizan dos quemadores, uno para el núcleo y otro para el revestimiento. Para fibras con índice gradual un quemador es suficiente, pero con más quemadores aumenta la velocidad de deposición. Para el control del perfil del índice de refracción se manejan los siguientes parámetros: estructura del quemador, posición del quemador, distancia entre la punta del quemador y la varilla, temperatura de la llama y de la preforma, el flujo de vapores y la concentración de contaminantes. La varilla pasa por un anillo de carbón, y a medida que asciende se efectúa el sinterizado por el calentamiento de una zona angosta específica de la varilla. La preforma se calienta y se estira, obteniéndose la fibra deseada.

Ventajas. Desventajas.

Preforma sin orificio central, no se requiere colapsado.

Proceso continuo. Se logran los más bajos núcleos de OH. No se requieren tubos de cuarzo.

Controlar el perfil del índice. Fluctuaciones en la densidad del tizne. Problemas en el control de la circularidad.

5.2.4 Deposición de Vapores por Plasma (PACVD)

72

En este método las preformas se producen de una manera similar al método MCVD, La diferencia radica en la técnica empleada para producir la reacción. En un horno se introduce un tubo de cuarzo de alta pureza al cual se le inyecta un gas. Por medio de la excitación del gas, con ayuda de microondas, se obtiene un plasma, así el gas se ioniza (descomposición del gas en sus cargas eléctricas. Al reunificarse estas se libera calor que se utiliza para fundir a altas temperaturas. Se disocian los halogenuros y luego con oxígeno se forma el óxido se de silicio. Las partículas formadas en este proceso se precipitan directamente en las paredes del tubo de cuarzo a temperaturas del orden de 1000ºC, formando una capa de vidrio. Dado que a la llama del plasma se le imprime un rápido movimiento de vaivén se incrementa la exactitud del perfil del índice de refracción. La preforma obtenida se somete al proceso de estirado.

5.2.5 Deposición de Vapores Químicos basado en Calentamiento por Microonda.

La duracón total del proceso es un factor más importante que la longitud de la preforma. El problema se solucina acortando el tiemoppo y aumentandio la velociad de deposición.esto se logra si se aumenta el flujo de gases, lo que as u vez exige tubos con diámetros in terns mayores, es decir, tubos de paredes delgadas. Dichos tubods de paredes delgadas y grandes diámtertrosson estructuras mecánicas débiles y poco convenientes en el proceso. Los tubos de paredes gruedsas son sistemas mecánicos robustos, pero representan un problema en el proceso de deposición interna, en el cual el quemador calienta en primer t´rmino la superficie exterior del tubo. La temperatura de reacción. La temperatura externa puede l.legar a ser tan alta, que el tubo se ablande y vaporice. Un método para calentar adecuadamente un tubo de vidrio de cuarzo de pareed gruesa es el calentamiento por microondas.

Método: Precalentar el tubo grueso de vidrio de cuarzo hasta 1000 ºC con un quemador convencional MCVD para permitir la absorciópn de las microondas por el vidrio, ya que la la temperatra ambiente no absorbe las microondas. Pasarlo por una cavidad de microondas cuyo campo eleva la temperatura del tubo hasta 2000ºC. Las microondas penetran en toda la masa de vidrio del tubo, siendo el calentamiento totalmente homogéneo.

5.2.6 Mètodo de Fusión Directa o Doble Crisol.

Las varillas de vidrio para los materiales que forman el núcleo y el revestimiento se elaboran separadamente y son alimentadas en dos crisoles concéntricos de platino calentados simultáneamente. El crisol interno contiene el vidrio fundido del núcleo y el externo el vidrio fundido del revestimiento.

73

Conforme fluyen los componentes por la base se procede a su estirado, formándose la fibra a medida que van solidificándose. Las caractrísticas de la fibra dependen de : composición de los materiales fundidis, viscosidad, de los moldes colocados en la salida y de la velocidad del estirado. Controlando el proceso de enfriaminentod a la salida de los crisoles puede conseguirse que la fibra sea el ìndice gradual o en escalón. Se utilizan para vidrios compuestos por ya que tienen el punto de fusiòn más bajo que el dióxido de silicio.

Ventajas. Desventajas.

Proceso continuo y económico con relación a los demás.

Altas A.N. para bajas longitudes de onda.

Fibras con alta dispersión por lo que se utilizan cortas o bajas velocidades de Tx.

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Fig. 5.2 Método de Deposición Modificada de Vapores Químicos.

75

Fig. 5.3 Deposición Externa de Vapores Químicos.

76

Fig. 5.4 Deposición Axial de Vapores.

77

Fig. 5.5 Proceso de Deposición de Vapores por Plasma.

78

Fig. 5.6 Deposición de Vapores Químicos basados en Calentamiento por Microondas.

79

Fig. 5.7 Método de Doble Crisol.

80

5.3 Estirado.

Se limpia y pule la preforma para eliminar defectos superficiales que pudieran debilitar la fuerza mecánica de la fibra. Se somete a una temperatura estable de 2200 ºC (punto de plastificación) en un horno. La preforma al fundirse y estirarse se convierte en fibra, el material comienza a fluir por gravedad y se forma un hilo. La fibra pasa a un ambiente donde se mide su diámetro ( + 2%) para su control, tomando la señal de monitoreo del diámetro de la fibra y enviándolo al mecanismo de alimentación de la preforma y al tambor de estirado para regular su velocidad. Aquí la fibra pasa de 16000ºC a al salida del horno 80ºC para la etapa de entintado y luego el recubrimiento primario.

5.4 Entintado.

Cada una de las fibras es pintada con un determinado color para su identificación cuando se tiene más de una fibra por tubos. Se desenrollan las fibras mediante un mecanismo de tensión controlada. Se pasan por un baño de tinta especial (de secado rápido). Se introducen en un horno de secado con aire caliente o un curado ultravioleta. Se recupera en un enrrollador.

5.5 Recubrimiento Primario.

La cubierta primaria se aplica inmediatamente a la fibra. Los acrilatos usados son curados con una luz ultravioleta y los polímeros por calentamiento. El material que se aplique a la fibra debe tener viscosidad óptima y estar libre de partículas contaminantes. La velocidad con ola que se aplica el recubrimiento es suficientemente lenta para garantizar la aplicación del material en toda la superficie de la fibra de manera uniforme, por ello, es en esta etapa donde se establece la velocidad total del estirado, para aumentar esta velocidad se aplica el recubrimiento en varias capas. La fibra se recoge en el tambor de estirado y se enrolla en un carrete para su almacenaje y comprobación de sus parámetros.

Nota: La pérdida pot Tx y el ancho de banda dependen fundamentalmente del proceso de preformación, mientras que la uniformidad del diámetro y la resistencia mecánica dependen del proceso de estirado.

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Fig. 5.8 Estirado y Acabado de la Fibra.

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TEMA 6

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84

6.1 Propiedades Mecánicas de las Fibras Ópticas.

Microcurvaturas.Flexiones y Curvaturas.Esfuerzos.Húmedad.

Los efectos de las microcurvaturas y flemones o curvaturas se analizaron en el tema IV, puntos 4.5.7 y 4.5.8.

6.1.1 Esfuerzo.

Causas: tensión, torsión, o curvado durante la manufactura, instalación y la operación.

El esfuerzo práctico máximo es de 15% ( 19 mewton ) ( elongación de la fibra ) y el nivel de esfuerzo continuo es una pequeña fracción del máximo, esto es para mocrofracturas no mayores de 1 micra. La existencia de grietas o microfacturas en la superficie de la fibra surgidas por impurezas oh generan una concentración de esfuerzos en ese punto agrandando aún más la grieta.

6.1.2 Humedad.

La humedad en las fibras puede generar grietas reduciéndose la resistencia a la tensión: En el invierno la humedad puede congelar la fibra provocando que se comprima, incrementando las pèrdidas (aparición de microcurvaturas). para reducir o evitar la humedad en los cables se utilizan: barrera contra la humedad, compuesto de relleno, presurización con gas.

6.2 Fabricación de un Cable Óptico.

6.2.1 Parámetros más importantes para escoger la Estructura y los Elementos que forman un Cable.

1. Esfuerzo máximo permitido en la fibra durante su fabricación, instalación y servicio: Este Parámetro determina la fuerza de ruptura de la fibra y la fuerza requerida para el miembro de tensión.

85

TEMA 6. CABLES DE FIBRA ÓPTICA.

2. Fuerza lateral dinámica y estática máxima ejercida sobre la fibra: Determina la configuración del cable y el limite de tolerancia de microcurvaturas.

3. Flexibilidad: Para lograr una mayor flexibilidad se colocan las fibras en forma helicoidal. Depende del tipo de miembro de tensión y su estructura.

4. Rango de temperatura y medio donde va a operar el cable: Determina los materiales a utilizar tomando en cueta el coeficiente de expansión térmica y su cambio en dimensiones por la húmedad.

5. Números y tipo de fibra a utilizar en el cable.6.2.2 Recomendaciones en el Diseño y Construcción del Cable.

Evitar cargas o esfuerzos mecánicos sobre las fibras.Aislar las fibras de los demás elementos del cablew.Mantener las fibras cerca del eje central y proporcionar espacio para su mantenimiento.Escoger los materiales de los elemnmentos de l cable con mínimas diferencias en sus coeficientes de

expansión térmica.Tener en cuenta el módulo de elasticidad, resistencia mecánica, compresión y tracción del cable. Las

condiciones ambientales a ser consideradas dependen del lugar de instalación: aire, enterrado, bajo el agua, conducido por ductos.

6.2.3 Elementos del Cable Óptico.

Cubiertas Secundarias:

Protección contra esfuerzos mecánicos. Puede ser de dos tipos: holgada o adherida.

Protección Secundaria Holgada.

Tubos termoplásticos: polietileno, nylon o teflón. Diámetro de los tubos: 1.4 a 3 mm. Fibras con menos pérdidas y mejor aislamiento mecánico.Las fibras quedan con cierta libertad

de movimiento, quedando aislada de los esfuerzos de tensión durante la instalación, así como de contracciones térmicas que ocasionan microcurvaturas.

Pueden ir 2,4 y 8 fibras por tubos. Manipulación durante la instalación más delicada.

Fig. 6.1 Estructura Holgada.

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Estructura Adherida (Apretada).

Recubrimiento grueso aplicado sobre la cubieta primaria. Materiales; polietileno, nylon, poliéster o polipropileno. Diámetro: 0.5 a 1.5 mm.

Fig. 6.2 Estructura Adherida.

CaracterísticasProtección

Holgada Adherente

Diámetro externoGrande respecto a la fibra 2

mmReducido 0.9 mm

Resistencia a esfuerzos axiales Muy buena Se transmite a al fibraResistencia a esfuerzos transversales Muy buena Buena

Comportamiento en temperatura Muy buena BuenaProtección en los extremos Regular Muy buena

Tabla 6.1

Miembro de Tensión: Proporcionar un elemento que absorba las cargas longitudinales (axiales) del cable óptico durante la instalación de modo que las fibras no sean fraccionadas.

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Fig. 6.3 Elemento de Tensión por su Forma.

Materiales:

Metálico Acero. Dieléctrico Filamento pástico, fibras textiles, fibra de vidrio, plástico reforzado con fibras.

. Con y sin recubrimiento.

Acero: Se utilizan en forma de alambre o cable como miembro de tensión central, por su alto esfuerzo longitudinal y en forma de malla o fleje para usarse como armadura. Mayor flexibilidad.

Desventaja: El peso que le agrega a los cables.

Filamento plástico. Filamento poliesrer: Proporciona alto módulo de elasticidad, alta estabilidad en sus

dimensiones para altas t0, superficie cilindrica co gran resistencia mecánica y poco peso.

Fibras Sintéticas (textiles): Se presentan trenzadas o agrupadas. Pueden utilizarse como relleno de cables. Material utilizado: aramida ( kevlar ) , poliéster aromático, se presenta en delgadas

fibras trenzadas unidas con resina. Tiene alto grado de elasticidad y bajo peso.

Fibras de vidrio: Para algunas alicaciones, las fibras de vidrio pueden proporcionar suficiente fuerza de tensión. En algunos casos pueden agregarse fibras a algunos materiales para aumentar la resistencia mecánica.

Plástico Reforzado con Fibras: Para obtener plásticos rígidos y semirígidos o compuestos de metal con alto módulo de elasticidad similar al del acero, con muy bajo peso.

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Barrera contra la Humedad.

Jalea de petrolato (jelly): Repelente al agua, no tóxico, viscosidad alta, Se aplica como relleno en el tubo holgado y como relleno en los espacios que dejan libres los elementos del cable.

Cintas metálicas de aluminio (en ocasiones acero): Recubiertas con polietileno a manera de pantalla longitudinal, las cuales forman un sello hermético, está técnica recibe el nombre de Lapo (laminado de aluminio y polietileno).

Presurización del cable (nitrógeno o aire seco).

Fig. 6.4 Barrera contra la Humedad.

Cubiertas del Cable.

Proteger las fibras y demás elementos del cable de imactos, fricción y elementos corrosivos. Materiales: polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), poliuretano.

Fig. 6.5 Cubierta del Cable.

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Polietileno Cloruro de Polivinilo ( PVC ) Poliuretano

Excelentes propiedades eléctricas y mecánicas.

Buena flexibilidad en el frío.

Buena resistencia a la humedad, aceites y productos químicos y de ozono.

Resistente al envejecimiento.

Material combustible y más rígido que el cloruro de de polivinilo.

Se le incorpora un pigemento de humo negro para evitar que sufra coarteaduras a causa de los rayos ultravioletas.

Material termoplástico para temperatura de 50 a 70 ºC.

Buena resistencia a la fricción.

Resistente al envejecimiento, ozono, ácido, álcalis y aceites.

Material difílmente combustible, pero los plastificantes usados para su ablandamiento si lo son.

Relativa permeabilidad al a humedad.

Flexibilidad elevada. Material blando (se

preferiere usar como elemento de relleno y amortiguamiento dentro del cable):

Componentes de Amortiguamiento y Rellenos.

Contribuyen al armado y resistencia del cable como barrera térmica. Cintas de materiales plásticos: Polietileno, PVC, Polipropileno, Nylon, Mylar. Textiles o de celulosa enrollados helicoidalmente en torno a las fibras, Cordones o monofilamentos. Tubos de material plástico flexible como el poliuretano.

Armadura: Proteger contra daños mecánicos, roedores y termitas.

90

Fig. 6.6 Armadura.

Metal : más usado es el acero. El fleje longitudinal corrugado le da mayor flexibilidad al cable. La armadura debe colocarse

sobre una cubierta de polietileno par no transmitir esfuerzos mecánicos a la fibra.

Barrera Tèrmica: Prevenir daños a los componentes del cable en los procesos que requieren de altas temperaturas durante la fabricación. Son cintas helicoidales que envuelven el núcleo del cable.Materiales: teraftalato de polietileno (mylar) y papel de pulpa de madera.

6.2.4. Estructura Básica de los Cables Ópticos.

1. Estructura con Elemento Central de Tensión.2. Estructura de Núcleo Ranurado.3. Con Elemento Exterior de Tensión.4. Estructura de Cintas.

1. Estructura con Elemento Central de Tensión:

Miembro de tensión colocado en el centro del cable y alrededor de él se colocan las fibras con cubiertas secundarias en forma helicoidal, rellenándose los espacios libres con Jelly. El conjunto se reúne en una cinta de Mylar (mantener en su lugar a las fibras y servir de barrera térmica), formándose así el núcleo del cable.

Para altas densidades de fibras se pueden usar tubos holgados de varias fibras, si se requiere de buena flexibilidad se pueden usar cubierta secundaria adherida; aunque el cable será más sensible a las temperaturas.

La estructura puede cablearse en sentido “S” 8 a la izquierda), “Z” (a la derecha) o “ZS” (alternada) sobre el núcleo lleva una cubierta interna, barrera contra la humedad, armadura, cubierta externa.

91

Fig.6.7 Estructura con Elemento Central de Tracción.

Ventajas.

Cables de dimensiones reducidas y con buena flexibilidad. Fácil preparación para labores de empalme y terminación.

2. Estructura de Núcleo Ranurado:

Incorpora al elemento central de tensión una cubierta plástica con ranuras en la periferia (de 6 a 12 ranuras) que van en forma helicoidal. En estas ranuras se alojan las fibras que pueden ir con cubierta secundaria de tubos adheridos, o bien únicamente con cubierta primaria. En cada ranura puede ir más de una fibra . las ranuras no llenadas con fibras se rellenan de JELLY.

Desventajas.

Cables con dimensiones mayores que con la de elemento central. Mayor radio mínimo de curvatura. Màsdifícilde preparar para labores de empalme y terminación.

3. Con Elemento de Tensión Exterior:

Emplea un elemento de tensión externo, el cual, envuelve a las fibras.Las fibras pueden ir nada más con cubierta primaria o con secundaria de tubo adherido.Se utiliza: alta resistencia a la tensión y para cables monofibras y duplex que se usan para la

interconexión a los equipos (pig-tails y jumpers).

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Fig. 6.8 Estructura con Elemento de Tensión Externo.

4. Estructura tipo cinta:

Alta densidad de fibras.Ejemplo: el tipo 144 tiene 12 cintas con 12 fibras cada una y su diámetro total es de 12mm.

Cada cinta posee cierta cantidad de ranuras longitudinales, cada una decepciona una fibra.Material: plástico.

Fig. 6.9

6.2.5 Fabricación del Cable.

Se parte de la fibra con la protección primaria y se procede a protegerla con la protección secundaria. El equipo para está protección permite la aplicación de material termoplástico adecuado sin provocar degradación de las características ópticas de la fibra.

La estructura está encargada de trabajar el material termoplástico y de aplicarlo sobre la fibra. La pileta de enfriamiento lleva el plástico a temperatura ambiente y se provoca el avance de la fibra en la línea. Finalmente el enrollador recoge la fibra en un carrete.

Una vez que las fibras han sido protegidas, es necesario reunir varias de ellas alrededor del elemento de tracción, para ello las fibras se colocan en una jaula de cableadota y se las hace girar alrededor del elemento de tracción, a medida que avanza, las fibras van envolviéndolo quedando formado el cable. Finalmente se aplica el encintado y por ultimo la cubierta externa.

Este proceso es muy delicado ya que consiste en vincular en forma solidaria las fibras muy delicadas al elemento de tracción relativamente robusto y rígido, si este proceso no se realiza con un equipamiento adecuado se producen grandes cambios en las características de transmisión de la fibra.

6.2.6 Pruebas Mecánicas sobre un Cable Óptico.

1. Prueba de Tensión:

Determinar cual es la máxima tensión a la cual puede ser sometido un cable Sin romperse las fibras ni variar las características de transmisión, una muestra

93

Del cable se coloca en una máquina de tensión y se va incrementando hasta que una de las fibras sufra la ruptura.

2. Prueba de Compresión:

El cable es sometido a un esfuerzo de compresión localizado sobre un área Relativamente grande, similar a lo que ocurriría si el cable fuera pisado por un Equipo automotor. En la prueba el cable se activa y se comprime con dos placas hasta que las fibras se parten o varían sus características de transmisión.

3. Prueba de Impacto:

Comprobar la protección del cable a impactos. Se somete a la caída de una Masa con superficie curvada con un peso y altura determinada.

4. Prueba de Doblado o Flexión Cíclica:

El ensayo consiste en plegar el cable, alrededor de un mandril de diámetro 20 veces mayor que el del cable, un número determinado de veces sin que se dañen las fibras o la vaina del cable. Estos dobleces se efectúan de forma cíclica en dos direcciones opuestas durante un tiempo determinado. No deben aparecer fibras rotas o con atenuaciones específicas.

5. Prueba de Torsión:

Consiste en ver como se comporta el cable si se le somete a una torsión sobre su propio eje. El cable se fija por un extremo y luego se le hace rotar 180º en los dos sentidos. Finalizada la prueba se verifica que las fibras no se han dañado.

Pruebas Térmicas y Ambientales:

1. Prueba de Ciclado Térmico.

Se coloca el cable en un cuarto a temperatura controlada, la cual se varia en los límites especificados para el cable durante varios ciclos en un tiempo determinado.

2. Prueba de Penetración de Agua:

Colocación del cable en una columna de agua durante un tiempo.

6.2.7 Fabricantes de Fibra Óptica.

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CORNING GLASS WORKSFIBEROPTIC CABLE CORP.GENERAL CABLE CORP.ATT.FURUKAWA.CORGUIDE.FUJICURA.OPTELCOM.BELDEN.TIME FIBER COMUNICATION INC.DUPONT CO.GALILEO ELECTRO-OPTICS CORP.QUARTTZ PRODUCTS CORP.SUMIMOTO.SIECOR.VALTEC CRP.CANSTARPHILIPS.

TEMA 795

96

7.1 Tipos de Instalaciones.

En Ductos.Directamente Enterrados.Aérea.Submarina.Interiores.

7.1.1 Cuidado de la Bobina o Carrete para Conservar las Propiedades del Cable.

No dejarlo caer o acostarlo.No debe rodarse el carrete para transportarlo, únicamente pequeños movimientos en el sitio de

instalación, siguiendo el sentido de la flecha que indica el carrete.No retirar las tableas de protección del carrete hasta comenzar la inmersión.

97

TEMA 7. INSTALACIÓN DEL CABLE ÓPTICO.

El cable puede transportarse en los mismos vehículos que se utilizan para los cables metálicos convencionales.

Durante la instalación no sobrepasar la tensión especificada para el cable.

7.1.2 Instalación de Subductos.

Los cables de Fo hasta 24 fibras tiene un diámetro de 10 a 16mm.Para la instalación de redes de fibra óptica soterrada a través de ductos convencionales 90, 100 o

110mm de diámetro es necesario dividir las vías de canalización mediante subductos (tubos de 32mm de diámetro esterior y 2mm de espesor).

Material: Polietileno de baja densidad.Se suministran en rollos de 400 M.Instalación de los subductos: manual o mecanizado.Las secciones de canalización tienen una longitud de 100 – 200 M.

7.1.2.1 Preparación e Inmersión de Subductos.

1. Acomodar las puntas de los Subductos.

Fig. 7.12. Enrollar una cinta de PVC alrededor de los Subductos, al menos a una distancia de 300 mm.

Fig. 7.2

3. Colocar un calcetín de hilos de alambre sobre los extremos de los Subductos y se sujeta el extremo del calcetín con alambre o enrollar con cinta eléctrica.

98

Fig. 7.3

4. Instalación simultánea de los tres Subductos.5. Atar los Subductos a una manga de tiro y a un nudo giratorio que está unido al cable de tracción.6. Una vez tendido los Subductos (manual o mecanizado), en una sección de canalización, se cortan en la

cámara de registro entrante a 20 cm de la pared.7. Colocar los tapones de anclaje y obturación de conductos para Subductos.8. Obturar los Subductos que no se van a utilizar con los tapones.9. Identificar cada uno de los Subductos.10. Una vez tendidos los Subductos, se procede al varillado.

Pasar por los subductos un mandril, comprobando que no hay materia extraña alguna o de una deformación del conducto.

Tendido el hilo guía mediante aire a presión. Impulsión de un émbolo a trvés de los subconductos mediante aire comprimido suministrado, por un compresor.

El hilo – guía se deja colocado en los conductos en los que esté previsto el tendido del cable.

7.1.3 Preparativos para la Inmersión del Cable Òptico.

Revisar los planos de la ruta a instalar y comprobar que corresponde con la zona donde se va a trabajar, las condiciones del terreno, el número de pozos, distancia entre estos, y posición del ducto y subducto a utilizar.

Inspeccionar los pozos, comprobando que se encuentran en condiciones de trabajo (no contengan gases tóxicos y que se realice el desagüe de aquellos que los requieran).

Comprobar que la trayectoria del cable se encuentre libre de obstáculos en los ductos.Comprobar que se tenga todo el equipo necesario: cable, vehículo, protecciones, equipo de comunica-

ciones, personal.Comprobar que el número de carretes del cable, el número de fibras, la longitud del cable corresponden

al cable a instalarse.Debe considerarse una zona mplia para el desembobinado del cable y en el caso de una instalación de

99

doble sentido, debe además haber un espacio para formar los ochos ( 15 -20 m2 ).Colocación de aparatos de seguridad y señales de advertencias (vallas, placas de indicación, luz

intermitente), en cada uno de los pozos.

7.1.4 Manual de Instalación.

1. Preparar la punta del cable.

Si el cable termina en un dispositivo de tracción sólo se necesita colocarle un destorcedor- fusible o mango e tiro y nudo giratorio (evita torsiones en el cable durante el jalado y tensiones mayores que las permitidas y unirlo a la guía.

2. Instalar la gu{ia de acero en el pozo de entrada y en el subducto asignado.

En casos que existan cambios de nivel o de direcciones pronunciadas se puede sacar el cable en pozos intermedios.

Si la ruta tiene solamente ligeros cambios de nivel y dirección y se cuenta con personal suficiente, se pueden jalar los 1000 m de una sola vez.

3. Se desenrolla el resto del cable de la bobina deposit{andolo en el piso, formando figuras de “ochos” para iniciar el jalado hacia el otro extremo.

Reservas de cables:

Registro de las puntas ( entradas alas centrales ) 10 – 15 m.En algún registro para empalmes 15 – 20 m.En el distribuidor óptico 1.5m

El acomodo y fijación del cable se realiza sobre los soporte colocados en los pozos y el cable se fija al soporte con cintillos plásticos.

En distancias cortas (menores de 1000 m ), el carrete se coloca en la posición inicial o donde se quedo la última punta instalada, y se instala el cable en un solo sentido.

100

Fig. 7.4 Instalación del Cable a una distancia menor de 1000m.

Para distancias mayores de 1000 m.

Se escoge un punto intermedio, colocando ahí la bobina del cable y primero se instala el cable hacia el punto inicial y después en sentido opuesto hacia el punto final, el carrte se coloca en el pozo de entrada considerando el sentido del tendido del cable ya que se debe estar en la misma dirección por encima de la ruta.

Fig. 7.5 Instalación del Cable a una distancia mayor de 1000m.

7.1.5 Tendido del Cable con Grúa y Cabrestante Autónomo.

Se utiliza: Camión con grúa.Aparejo para cargar y descargar bobinas de cables.Cabrestante aut{onomo.

101

Carretilla auxiliar.

Personal Operación

En el registro de Entrada: Comprobar la no existencia de gases tóxicos en los registros 1 y 2 y el desgüe de los mismos.

Colocar barandas de protección en los registros y elementos de señalización.

Estacionar debidamenteel camión y descargar el cabrestante

Medir la distancia entre registros. Descarga de la bobina de cable. Colocar el aparejo de carga de bobinas en

la grúa. Bajar la bobina y depositarla en el suelo.

1 Jefe de brigada con equipo de comunicación.

1 Conductor del camión. Personas para girar la bobina. 1Persona en la entrada del registro para

conducir el cable. 1 Persona dentro del registro para vigilar la

entrada del cable.En el Registro de Salida:

1 Encargado del arranque y parada del cabrestanteprovisto de radioteléfono.

1 Encargado de recoger el cable de tiro en la carretilla auxiliar.

Retirar los listones de protección.Comprobar la posición de la bobina, teniendo en cuenta que el cable debe salir por la parte de arriba de

la bobina y retirar los ganchos del aparejo.En el registro de salida se pasa el cavle de tiro hacia el registro de entrada preparación del cabrestante y

arrranque del motor.Conectar el cáncamo de tiro del cable , el cable de tiro por medio de un nudo giratorio.Una vez que en el registro de salida est{a todo dispuesto se le avisa al jefe de grupo.Comenzar la entrada del cable con una velocidad de tracción que no exceda los 20 m por minutos.

7.2 Instalación Directamente Enterrado.

Revisar la ruta propuesta antes de iniciar los trabajos de instalación.Determinar con exactitud todos los puentes, curvas , cables de energía enterrados, telefónicos, tuberías

de gas, agua, las profundidaes de los mismos y localizar los puntos de intersección.Definir la localización y puntos de empalmes, teniendo en cuenta que el trabajo de unión se realiza en

la superficie.Dejar una cantidad suficiente de cable para hacer una espira en las cajas de empalmes.Determinar las condiciones del suelo a lo largo de la ruta para la selección de la maquinaria y equipos

de restauración adecuados.Evitar que el cable se dañe al colocarse en la trinchera y no se excedan los radios mínimos de

curvaturas.Profundidad de insatalación: 0.6 – 0.9 m, será mayor en los campos agrícolas.Ancho de la zanja: no superior a los 25 cm.El cable al ser enterrado no debe tener contactos con rocas, piedras u objetos puntiagudos y pesados

dentro de la zanja.Se acostumbra cubrir el fondo de la zanja con tierra cernida o arena antes de colocar el cable y recubrir

el cable también con varios cm d esta tierra o arena antes de rellenar nuevamente la zanja.Durante la operación de enterrado se vigilará que no se produzcan obstrucciones, que la alimentación

102

sea continua y que se mantenga la profundidad.Después de instalada una sección de cable, ésta debe probarse con el fin de verificar que no hay daños

en el cable.Se recomienda que la apertura de zanjas se haga con un método mecanizado, reduciendo al mínimo la

excavación manual (más económico, rapidez y menos susceptibles a daños.Si se utilizan máquinas escavadoras que entierran el cable en una sola operación, se envuelve el cable

con un ducto protector de polietileno.Empezar la operación del excavado por la velocidad más baja posible y lubricando el eje de la bobina

para que gire libremente, evitando así tensiones excesivas sobre el cable.Evitar las curvas agudas ya que se pueden dañarse las fibras.Al levantar el brazo de arado del excavador debe hacerse de forma lenta y gradual, evitando que se dañe

el cable al salir del tubo surtidor.Si es necesario hacer retroceder el excavador debe levantarse el brazo del arado, ya que de lo contrario

el cable se dañará severamente.

7.3 Instalación Aérea.

Tipos de cables usados en la instalación aérea:

Autosortado.Cable óptico para sujetarse a alambre de suspensión externo.

7.3.1 Cable de Fibra Óptica Autosoportado.

Preparación del cable:

Remover 100 mm de la cubierta del mensajero y cortar el cable óptico que exceda del mensajero descubierto.

Conectar el mensajero al sujetador de mensajero. Conectar la línea de jalado al pin del sujetador del mensajero. Reforzar el cable con el mensajero mediante una abrazadera. Formar una estructura uniforme del cable, mensajero y sujetador mediante la aplicación de cinta

vinílica.

Jalado del cable: Para soportar de forma temporal el cable en los posetes durante la instalación se utilizan: Ganchos de sujeción temporal para los postes que se encuentran en líneas y en las esquinas sin exceder los 29º de ángulo de cambio. Si el ángulo de cambio es mayor a 29º utilizar el grupo de poleas.

Método de Riel en Movimiento.

Mover el riel a lo largo de la línea, hacia el poste donde se va ha sujetar el cable, para el riel a una distancia de 18 m delante del poste.

Elevar el cable en el poste de forma manual usando una regla de madera.

103

Repetir la operación hasta llegar al último poste o a uno intermedio en el cual el cable tiene que ser tensado.

Fig. 7.6 Colocación del cable de FO Autosoportado en el Poste con el Riel en Movimiento.

Método de Riel Estacionario.

Se usa cuando se difiulta mover el riel por los árboles u obstáculos. Instalar los accesorios para postes y aparatos de construcción como sigue:

Colocar un juego de poleas en el primer poste donde va ha ser colocado el cable de FO. Colocar ganchos o juegos de polea en los postes que est{an en esquinas ocasionando un

ángulo de cambio de 29 grados o menos.

Fig. 7.7 Colocación del Cablede FO. Mètodo de Riel Estacionario.

La distancia entre el riel y el primer poste debe ser aproximadamente dos veces la altura del poste medido a partir del nivel de la tierra.

104

Fig. 7.8

El desenrollado del cable se hace desde la parte inferior o superior dependiendo de las condiciones. El riel debe estar en línea con los postes. El riel debe ser colocado lo más alejado posible de una esquina de tal manera que una cantidad

mínima de cable sea jalado por dicha esquina. Tener precaución en no exceder los radios mínimos de curvaturas especificados por el fabricante.

Esto se logra utilizando las poleas con las cuales se controla los ángulos de cambio.

Fig. 7.9 Control del Ángulo de Cambio.

Longitud de Jalado Ángulo de Cambio

0.9 m 3º3 m 11º

105

7.5 m 29º15 m 60º

Tabla 7.1

Distancia entre poste y medición del vano:

La distancia promedio entre poste es usada para determinar la longitud apropiada del vano y la tensión final del mensajero.

Distancia entre Postes ( m) Vano ( cm ) Tensión del Mensajero ( Kg )

40 40 17460 60 26190 90 391100 100 435120 120 522

Tabla 7.2

Medición del Vano:

Marcar la longitud del vano apropiada en na cinta de manera y aplicar cinta vinílica para identificar la marca.

Mantener la cinta de madera vertical al centro del tramo y ajustar de tal manera que la marca este en en línea recta con los puntos donde se sujetan los soportes de cable en cada poste.

El técnico que controla la tensión del cable ajustará el mismo hasta que quede en línea con la marca de la cinta de madera.

Fig. 7.10 Distancia entre Postes y Medición del Vano.

7.3.2 Instalación del Cable con Alambre de Sujeción Externo.

106

El cable óptico se une a la guía externa mediante un fleje no metálico colocado helicoidalmente o bien utilizadndo grapas. El uso de flejes es un método rápido y se aplica por medio de un equipo convencional. El método de grspas se recomienda para distancias cortas ya que es un método lento.

7.4 Instalación en Interiores.

Los cables ópticos en las centrales telefónicas se instalan sobre bandejas o dentro de ductos dejados para ese fin por lo que se debe planear bien la ruta, con el fin de prevenir fuerzas excesivas que puedan cortar las fibras, especialmente cuando se cruza por donde hay cables muy pesados.

Si los cables cruzan por diferentes niveles o se encuentran al alcance del público, se deberán proteger al menos con una cubierta metálica en forma de “U”. si el cable corre en forma vertical Para no exceder la máxima carga de tensión, se deber{a sujetar cada metro con cintillos de material suave para no dañar el cable.

107

TEMA 8

108

109

8.1 Identificación de las Fibras.

Antes de proceder a realizar cualquier trabajo en un cable de fibras ópticas es imprescindible identificar cada fibra para lo cual el fabricante procede a establecer un Código de colores tiñendo las fibras esternamente, en su protección primaria si es un cable del tipo de protección holgada o situando un plástico de color adecuado sobre las fibras, si el cable es de protección adherente.

Existen FO de 8, 12, 16, 18, 24, 36 fibras.

Código de colores de los tubos holgados “ALCATEL”:

Rojo Azul Blanco (8 FO por tubos).

Código de colores de las FO de “ALCATEL”:

Rojo Azul Verde Amarillo Violeta Incoloro Naranja Gris.

8.2 Métodos de Empalmes.

Mecánicos: Métodos de varilla, de ranura en V, y elastométrico.Fusión.

8.2.1 Empalme por Fusión.

1. Preparación de la Fibra.

Quitar protección secundaria.Quitar protección primaria.

110

TEMA 8.EMPALMES, CAJAS DE EMPALMES Y

CONECTORES.

Limpiar FO. Toallitas con alcohol o acetona. Las partículas de polvo, grasa y agua son de dimensiones comparables a las del núcleo de la fibra.

Marcar y Cortar. Cortar con la herramienta adecuada. El corte debe hacerse perpendicular al eje de la misma, con un error menor a 1 grado, se hace por fractura, evitando dejar astillas en la superficie.

Introducir Protector de Empalme. Garantiza mayor resistencia mecánica y mayor protección contra la humead al empalme.

2. Empalme por Fusión.

Alineación de las Fibras. Alinear las fibras en la empalmadota en las ranuras en “V” con respecto a los ejes x, y, z, los ajustes son micrométricos y lo realiza el equipo a través de un sistema de espejos.

Prefusión. Limpiar los extremos de las fibras con una descarga de arco eléctrico para eliminar las imperfecciones en sus extremos, las cuales pueden generar burbujas de aire y deformaciones del núcleo durante el empalme.

Fusión.

Estirado.

111

3. Protección de Empalme.

Colocar Protector de Empalme.

Contraer con Calor.

La máquina empalmadota realiza las siguientes funciones:

Alineación de las fibras en los ejes x, y, z.Empalma.Asegura por calor la protección de empalme.Define las pérdidas por empalme.Realiza pruebas mecánicas de tracción al empalme una vez protegido.Permite programar el tiempo y la intensidad del arco eléctrico.

8.3 Cajas (cierres) de Empalme.

Son herméticos y poseen organizadores de fibra:

Se dejan y protegen los empalmes y se distribuyen los excesos de fibra. Tales excesos son de 1 – 2 M por fibra es para poder trasladar el empalme desde el equipo hasta

el organizador y se tiene una longitud de reserva para el caso en que se requiera intervenir en el empalme (para localizaciones de fallas y modificaciones en los enlaces9.

Asegurar un radio de curvatura de las fibras mínimo de 30 mm. Facilitar la identificación y acceso a los empalmes.

8.4 Conectores.

Los conectores son usados para dar flexibilidad y facilidad de conexión y desconexión entre sistemas de fibras y un componente activo (LED, LASER, PIN, APD).

112

8.4.1 Características de los Conectores.

Baja pérdida por inserción.Facilidad de montaje.Compatibilidad con distintos fabricantes.Pequeña variación en la pérdida por inserción después de un gran número de conexiones y

desconexiones.Insensibilidad a factores ambientales (temperatura, polvo).Buena relación costo/beneficio.

8.4.2 Tipos de Conectores.

Fibra Tipo de Conector

Multimodo SMA 905, SMA906, ST ( mini BNC ), BicónicosUnimodo FC, FC / PC, Bicónico, D4

Tabla 8.1

8.4.3 Conectores SMA905, 906 (Subminiature tipo A).

Se ha convertido en un est{andar respaldado por normas militares y alrededor de 40 fabricantes.Uso fácil.No es adecuado para el acoplamiento entre conectores.Se utiliza en equipos de transmisión de datos.Respuesta adecuada en emplames terminales.Pérdidas 0.7 – 2 dB.Pequeño y de buena durabilidad.Fácil de ensamblar.

8.4.4 Conectores ST (mini BNC).

Ventajas con relación al SMA:

Aplicaciones en redes Lan.Atenuación típica 0.4 dB.Férula cerámica de precisión, que mejora la alineación.Dispositivo de fijación que evita la rotación, obteniendo así mayor repetitividad.

113

La tuerca de acoplamiento no es roscada, sino del tipo bayoneta que hace que la conexión y desconexión sea más rápida.

8.4.5 Conectores Bicónicos.

Transmisión de datos.Pérdidas menores a 1 dB.

8.4.6 Conectores FC.

Muy alta durabilidad.Pérdidas entre 0.6 – 1 dB.

Consta de :

Férula metálica que contiene un elemento de cerámica encargado de alinear la fibra. Concentricidad y diámetros de orificio, no sobrepasan tolerancias de 1 micra, asegurando una

atenuación menor de 1 dB 0.7). Una roldana de ajuste para la optimización de la menor pérdida al tener 8 posiciones distintas y

mayor repetitividad al fijar la posición de la férula.

8.4.7 Conectores D4.

Similar al PC con versión D4 – PC.Alta durabilidad.Pérdiads aproximadas 0.7 dB.Aplicable en equipos de comunicaciones.

8.4.8 Conectores FC / PC (contacto físico).

Alta durabilidad.Pérdiads menores a 0.5 dB.Aplicable en Tx de voz y datos a alta velocidad.

Proceso de ensamble de un conector FC / PC:

Introducir el plástico y el muelle por la Fo y colocar la férula. Juntar el pegamento y darle calor hasta que adquiera un color rojizo. Cortar la fibra. Lijar con lija gruesa y luego pulir a punta de espejo. Limpiar la cerámica con alcohol y aire. Colocar cuerpo metálico (tuerca de acoplamiento)

114

Conectarlo a al bobina y medir pérdidas con el reflectómetro.

Fig. 8.1 Conector FC / PC.

8.4.9 Conectores de Excentricidad Ajustable.

Se logra un alineación transversal preciso al rotar una fibra con respecto a la otra, estando las fibras excéntricamente montadas, el alineamiento óptico se logra cuando la señal monitoreada a través del conector es máxima.

Pérdidas 0.5 dB en FO monomodo.Precisión única.Conector complejo y costoso.

DIAMOND: Ajuste del centrado de la fibra se hace con microscopio.

RADIAL: Consiste en dos alineaminetos: uno el de la fibra en el casquilo donde se ajusta radialmente la fibra, auxiliándose de un patrón de luz, el ajuste se hace mediante 4 tornillos con auxilio de una herramienta especializada. El segundo alineamiento se lleva a cabo entre los casquillos a unir, estos son insertados en una esfera con un orificio, asegurando que los ejes axiales de ambos casquillos y ambas fibras coincidan.

Conectores Atenuación

SMA 0.7 – 2 dBSTNIIBNC 0.4 dB

FC 0.6 – 1 dBFC / PC 0.2 dB

T4 0.7 dBBICÓNICO < 1 dB

DE EXCENTRICIDAD AJUSTABLE < 0.5 dB

Tabla 8.2 Atenuación en Distintos Conectores.

115

8.5 Pérdidas en los Empalmes y Conectores.

Emplames: 0.2 dB / KmConectores: 1 dB / Km

IntrínsecaRelacionadas con las Propiedades de las Fibras

ExtrínsecasRelacionadas con los Empalmes y Conectores

Diferentes diámetros de los núcleos Desplazamiento lateralConcentricidad del núcleo – revestimientoConcentricidad del núcleo

Desalineación angular

Diferentes diámetros del revestimiento Separación entre las caras de la fibraDistintas aperturas numéricas Acabado de las CarasDiferente longitud de onda de corte

Tabla 8.3 Pérdidas en conectores.

8.5.1 Diferentes Diámetros de los Núcleos.

Fig. 8.2

Propagación desde d1 a d2 ( d1 < d2 )I.L. = 20 Log ( d2 / d1 ) dB

Psal = Pent ( d2 )2 / ( d1 )2

FO UM: Diámetro del campo modal (M.F.D).

En la fibra UM la luz viaja dentro del núcleo y además un poco fuera de él, tal extensión hacia el revestimiento se caracteriza con este parámetro.

Un desacoplamiento significativo en los MFD de dos fibras a empalmar causará una pérdida en las uniones. Ej: desplazamiento a 1.2 um provoca pérdidas de 0.3 dB.

116

FO MM: Atenuación de modos por su salida al revestimiento.

Propagación desde d1 a d2 ( d1 < d2 )I.L. = 0 ( FO UM )

En la FO MM habrá cierta pérdida por la redistribución de la energía entre modos.

Lo más fácil es alinear el recubrimiento de las fibras (125 um estándar), que el núcleo que tiene 10 um. Sin embargo este procediendo depende de la presición de las características geométricas de las dos: concentricidad núcleo – revestimiento y el di{ametro del recubrimiento.

8.5.2 Error de Concentricidad Núcleo – Revestimiento. Concentricidad de los Núcleos.

Si el núcleo y el revestimiento no están centrados en un punto entonces alineando el revestimiento de las ods fibras pudieran no alinearse los núcleos. En general el error de concentricidad entre el núcleo y el revestimiento es ≤1 µm.

Fig 8.3Psal = Pent / 90 Tan-1 ( d / x ) -2 X e / π d

Donde :

e = ( 1-X2 / d2 )1/2

117

Pérdidas ( dB )

Fig. 8.4

8.5.3 Diámetro Exterior del Recubrimiento.

Si los diámetros de los revestimientos de las dos fibras no son iguales ocurrirá pérdida en el empalme o en la conexión aún cuando el error de concentricidad sea 0. El diámetro del recubrimiento debe ser≤ 3 µm.

Fig. 8.5

8.5.4 Distinta Apertura Numérica.

Cuando se conecta una fibra con mayor apertura numérica a una de menor se produce una pérdida por los modos que no capta o guía la fibra.

A.N.1 > A.N.2 Psal = Pent ( A.N.2 )2 / ( A.N.1 )2

I.L. = 20 Log ( A.N.2 / A.N.1 )A.N.1 > A.N.2 PÉRDIDA = 0

118

Fig 8.6

8.5.5 Desplazamiento Lateral. (Falla Radial).

Debido a al tolerancia en la fabricación del conectorocurre el solapamiento de las áreas, lo que provoca una atenuación de 0.75 dB con una relación: L / D = 10 %.

Estas tolerancias se hacen críticas en conectores Um donde un desplazamiento de 2 micras, produce una pérdida de 05. dB.

Fig. 8.7

Donde:

L Deslazamiento Lateral. D Diámetro del Núcleo.

Fig. 8.8 Fig. 8.9

119

8.5.6 Desplazamiento Angular.

Fig. 8.10

Fig. 8.11

I.l. = -10 Log ( 1 – n3 / π A.N. )

Donde:

n3 Índice de Refracción del Entrehierro. Producida por el pulido o corte de la fibra o un mal diseño del conector. Depende de la A.N. de la FO, siendo menor la pérdida al aumentar la A.N.

Fig. 8.12 Fig. 8.13

120

8.5.7 Separación entre las Dos Caras de las Fibras (falla Axial).

Influye en el aumenta la A.N. Pérdidas de insersión:

I-L. =-10 Log ( 1-X A.N. / 2d n3 )

Fig. 8.14

Fig. 815 Fig. 8.16

8.5.8 Calidad en el Acabado de las Caras.

Provoca el aumento de la atenuación por el efecto de Fresnel que ocurre cuando 2 fibras están separadas por aire, por lo que se exige un pulido a espejo en la mayoría de lso conectores. Ver pérdidas por reflexión de Fresnel (tema 4 punto 4.5.6).

121

8.6 Fabricantes de Conectores.

DORRAN.AMPHENOL.INTEROPTICS.AUGAT.HITACHI.FUJIKURA.PLESSEY.TRW.LAMDEK (FILIAL DE KODAK).FTE.AT&T.BELDEN.DORRAN PHOTONICS.ITT CANNON.THOMAS – BETTS.WESTERN ELECTRIC.DEUTCH.AMP.OFTI.GTE.NEC.FUJITSU.3M.

122

TEMA 9

123

124

Emisores De Luz

Fotoemisor: Convierte una señal eléctrica en señal luminosa.

9.1 Exigencias para los Fotoemisores utilizados en Cx por FO.

De emisión debe coincidir con algunas de las ventanas.Anchura Espectral ( lo más reducida posible para evitar el efecto de dispersión cromática.Lóbulo de emisión para mejorar la eficiencia del acoplo emisor – fibra.Alta velociada de respuesta, que grantice la rapidez de conmutación necesaria en los sistemas de gran capacidad.Potencia óptica de salida relativamente alta.Bajo consumo de corriente eléctrica.Estabilidad de sus características frente a la temperatura y tiempo de operación.Manejabilidad en cuanto a tamaño y peso.

Material Material Base Punto de Fusión ( ºC )de la Radiación Emitida

(µm )AlGaAs GaAs 1238 0.7 – 0.9

GaInAsPInP

GaAs10701238

0.9 – 1.80.7 – 0.9

GaInAsSbInAsGaSb

943712

1.8 – 4.01.9 – 4.0

GaInSbPInP

GaSb1070712

0.9 – 1.32.0 – 4.0

AlGaAsSb GaSb 712 1.1 – 1.8InAs InAs 943 1.8 – 4.0

Tabla 9.1 Materiales Semiconductores para Fotoemisores.

Los compuestos GaIn AsSb permite el trabajo a longitudes de onda superiores a la III ventana, donde las fibras a base de vidrios floruros abren una nueva ventana con atenuaciones en el orden de las milésimas de dB.

125

TEMA 9.EMISORES Y RECEPTORES ÓPTICOS.AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA.

9.2 Parámetros Fundamentales de los Emisores Ópticos.

1. Característica de Salida P = f ( I ).

Corriente Umbral. Intensidad de corriente de inyección en un LD, o sea, valor de corriente eléctrica tal que para valores superiores a la misma se produce el fenómeno de emisión estimulada.

Se sitúa el diodo enfrentado al fotomultiplicador en el interior de una esfera integrada. Este último junto con el medidor deben calibrarse bien a al emitida por el diodo.

I = Is eqV / KT

Donde:

Is Corriente Inversa de Saturación. V Tensión Directa aplicada al Diodo. K Constante de Botzmann. T Temperatura Absoluta de la Unión ( Kº).

Fig. 9.1 Medida de la Potencia Óptica Emitida en Función de la Corriente de Excitación.

2. Respuesta Espectral (y Ancho Espectral ).

SE alimenta el emisor con un valor típico de corriente de trabajo y se focaliza la radiación emitida sobre un monocromador ( filtro óptico paso banda de elevado Q) y con sintonía variable mediante un control externo (control de la frecuencia). La salida óptica se detecta con un fotodiodo PIN, la señal puede

126

amplificarse con un amplificador de corriente continua. Se realiza un barrido espectral con el control del monocromador. Se obtiene una gráfica de potencia P = f ( ).

El valor máximo de potencia obtenido define la longitud de onda, mientras la separación entre los puntos correspondientes al 50% de ese valor máximo determina el ancho espectral.

Fig. 9.2 Medida del Ancho de Banda del Fotoemisor.

Fig. 9.3 Espectro de Emisión de un Diodo LED y un Láser (LD).

3. Lóbulo de Emisión Popt = f ( ).

Magnitud rlativa de la potencia radiada en función de la dirección paralela y perpendicular a partir del eje óptico previsto en el encapsulado del emisor. Es interés para los emisores carentes de fibra embutida para lograr un buen acoplamiento emisor – fibra. Se fija un diodo LED o Láser a una plataforma sobre la que pivora un brazo portador de una sonda óptica (corto cabo de fibra igual a la que acopla al fotodetector), de reducida A:n., acopla aun fotomultiplicador – medidor a través de un tramo de fibra. Al girar el brazo, la

127

sonda óptica explora la radiación emitida como función del ángulo girado. La medida se realiza con dos barridos angulares ( +90º y -90º ), respecto al eje óptico.

Fig. 9.4 Determinación del Lóbulo de Emisión.

4. Respuesta Temporal.

Fig. 9.5 Medida de la Respuesta temporal del Fotoemisor.

El generador de impulsos debe inyectar en el diodo de pruba unos impulsos de corriente sumamente estrechos ≤100 ps de manera que los tiempos de subida y caída sean despreciables.

i. Tiempo de subida (t): Tiempo necesario para que la señal de respuesta al impulso eléctrio evolucione desde el 10 hasta el 90%.

ii. Tiempo de caída (t): Tiempo de evolución desde el 90 hasta el 10%.

iii. Tiempo de retardo (t). Diferencia entre los instantes en que la señal óptica de salida y la señal eléctrica de entrada del emisor alcanzan el 50% de máxima amplitud.

128

Fig. 9.6 Impulsos en la Pantalla del Osciloscopio.5. Área Radiante.

Superficie de emisión de la unión ( cm 2 ).

6. Emitancia Radiante.

Potencia óptica emitida por unidad de área radiante (w / cm2 ).7. Intensidad Radiante.

Potencia óptica emitida por unidad de ángulo del lóbulo.

8. Radiancia.

Potencia óptica por unidad de área radiantwe y unidada de ángulo del lóbulo de emisión.

9.3 Clasificación de los LED.

LED de superficie.LED de emisión de borde (lateral).

Principio de Físico Funcionamiento.

Emisión Espontánea: Manteniendo la corriente eléctrica a través del dispositivo puede establecerse una emisi´pn conticua de radiaciones luminosas, debido al paso de los electrones de ñla banda de conducción a la de valencia, ocurriendo la emisión espontánea de un fotón por una rewcombinación hueco – electrón.

9.3.1 Diodo Emisor de Superficie.

La radiación emerge desde un plano paralelo a la unión:La mayor parte de la radiación óptica producida se genera en la zonaP, como consecuencia de la recombinación de los electrones procedentes de la zona N con los huecos de la P y tendrá que atravesas la región N para salir al exterior.

129

Debido a que esta presenta menor índice de refracción que la p ( es menor el grado de impureza en N, las pérdiads producidas por refracción quedarán reducidas).

La eficiencia se incrementa haciendo mayor el grado de impurificación de la región P respecto a al N.. es por eso que la zona P se pone en contacto con el disipador térmico.

Fig. 9.7 radiación de Superficie.

Para evitar la absorción de la radiación óptica al atrvesar la zona n se utiliza una estructura de capas muy estrechas y se talla una abertura concava en la propia región n, lo que permite alojar el extremo de la fibra y aproximarla a la región P que es donde se produce la emisión luminosa.

Se concentra el flujo electrónico en una pequeña zona de diemsiones comparables al diámetro del núcleo, a este diodo se le llama Diodo Burrus.

La radiación de una unión P – N es en todas direcciones y a través de la estructura heterounión se logra confirmar la luz en direcciones paralelas al plano de la unión. Esta acción de guado se crea mediante una disposición adecuada de los índices de refracción de las capas semiconductoras.

Fig. 9.8 Diodo Burrus con Doble Heterounión.

130

Capa de óxido SiO2:

Aumenta la radiancia del diodo ya que se forma un área de emisi´pn muy pequeña entre ella y la capa de contacto, emitiéndose una corriente en una columna estrecha bajo el núcleo de la fibra. Sobre un sustrsto tipo N se crece una rewgión P y sobre esta se forma una delgada película aislante de sílice. La abertura cóncava se talla en el sustrato N, se abre una perforación circular en la capa de sílice de unos 50 um de diámetro. La ventana tallada en la sílice se cubra con una metalización que pondrá en contacto la zona P con la carcaza metálica que a su vez se une con el borne + de polarización.

La cacteriztica de un LED de superficie es de tipo Lambertiano:P = PO Cos

Donde:

P Potencia m{axima emitida perpendicular la superficie .

9.3.2 Diodo de Emisión de Borde de Doble Heterounión.

La radiación emitida es en un plano perpendicular a la unión. El ancho de la capa activa es muy reducido (décimas de micras).

La región de confinamiento (guiado) se dimensiona de axcuerdo al dipámetro del núcleo, los valores prácticos son: 2 – 20 um. Las dimensiones del bloque emisor se ajustan en concordancia con la de la luz generada favoreciéndose la radiación en una dirección concreta.

La franja de contacto en la parte superior del dispositivo, no se extiende a los largo de todo el diod para evitar la posibilidad de realimentación óptica que podría coaccionar el efecto LASER.

Las dimensiones de la zona de contacto junto con el valor de la corriente de excitación determinan la potencia óptica.

Para una corriente de excitación de 50 mA la longitud de la ranura del dieléctrico que proporciona máxima potencia es 70 um. Para 100 MA es 150 um.

La cara emisora se condiciona con un recubrimiento antirreflectante, cuyo espesor se corresponde con ¼ de la longitud de onda emitida, lográndose así un incremento notable en la potencia de salida.

131

Carácterísticas LED de Superficie ELED

Lóbulo de emsión Menos Angosto Más angostoAcople con la Fibra Mejor

Ancho Espectral =50nm 50-70 20-30nm=1300 nm - 50-100nm

Radiancia2 w / st.cm 2

50w / st.cm2( burrus )100 w/ st.cm2

Para I =100mAPerfil Espectral Lamberiano Elíptico.

Tabla 9.2 Compatración entre un LED de Emisión de Superficie y unote Emisión de Borde.

Tipos de Led de Emisión de Borde:

Baja Potencia 1 – 5mW, para I = 100 – 150 mA. Alta Potencia 50mW para I = 15 mA.

Fig. 9.9 Característica P = f ( I ) de un LED.

El comportamiento es lineal hasta que se satura por efecto del calentamiento y comienza a decaer.

Entre la velocidad de modulación admitida / potencia óptica generada por un diodo emisor de borde se establece un compromiso durante la fabricación. Si se desea una mayor eficiencia cuántica del material debe ampliarse la anchura de la unión, lo cual, reduce la velocidad de respuesta del dispositivo.

132

Fig. 9.10 Relación entre la Potencia Óptica Emitida y la Frecuencia de Modulación en Dispositivos LED.

9.4 Diosos Láser.

LÁSER: Amplificación de la Luz por Emisión Estimulasda de la Radfiación:

El láser como funte de luz estimulada recurre a una avalancha de fotones lo cual produce mayor potencia a la salida. La amplificación de la luz se produce cuando un fotón incidente estimula la salida de otro fotón.

9.4.1 Clasificación.

Por la Estructura de las Capas Semiconductoras:

Láser DFB (distributed feeback) realimentación distribuida. Confinamiento óptico y eléctrico separados SCH (separate confinement heterostructure). Láser fabry – Perot (FP).

Modos de Propagación :

Multimodo. Unimodo.

Necesidades del Mercado:

Bajo costo. Altas prestraciones. Alta potencia.

133

9.4.1.1 Láser de Geometría Enterrada, BH.

Dispositivo de geometría de cinta.Confinamiento óptico en sentido vertical creado por la doble heterorstructura y lateral por dos regiones N, restringiendo la extensión de la reión activa.Índice de refracción de las regiones n menor que el de la región activa.Lóbulo de emisión agudo.Corriente de 15 – 20 mA.

Desventajas:

La confección de las regiones de confinamiento supone una etapa tecnológica más, lo que encarece y resta fiabilidad al proceso.

9.4.1.2 Láser DFB.

L . 9.4.1.2. Laser DFB Para = 1.3 y1.55Altas velocidades en tx digitales (2.5 gbits/s) y en tx analógica .Capacidad típica 10 a 15 pfLáseres de 1.530 -1565 n m para aplicaciones de multiplexación de longitud de onda inferior a 1 nm .Utilizables en exteriores Corriente umbral 4 ma a 25 C Y 15 ma a 85 CLáser monomodo Existen con y sin enfriadores termoeléctricosFiabilidad: >15 años para sistemas terrestres.Amplio rango de t 25 a 85 C a 1.55

Fig. 9.11Curva a 25ºC y 85ºC de un Láser DFB de 1.55 de Amplio Margen de Temperatura.

134

Se realiza con un elemento con reflexión selectiva de longitud de onda construido dentro de su cavidad para proporcionar la operación con una longitud de onda . Con esta estructura los rayos de movimiento verticales se hacen regresar a la región activa mediante un proceso de difracción de Bragg.

Mediante un especial distribución del índice de refracción de la capa sustituida por arriba de la región activa se mantiene los fotones en esta región , acentuándose el efecto de realimentación óptica .

La red de difracción de Braga está constituida por una variación de la interfase entre las regiones vecinas a la capa activa . Con esta técnica se consigue anchos espectrales 10 veces menores que con el sistema de retroalimentación por reflexión en los espejos transversales .

9.4.1.3 Láser de Confinamiento Óptico y Eléctrico Separados .

Se trata de una heteroestructura de 5 capas , la cual garantiza mayor efecto de realimentación óptica para idénticos niveles de corriente de excitación con respecto a la estructura de doble heterounión.

Fig. 9.12 Capas de un Láser SCH e Índice de Refracción.

135

9.4.1.4 Láseres Fabry – Perot (FP).

Fig. 9.13 Estructura de un láser Fabry – Perot.

El índice de refracción de las capas AlGaAs es diferente al de la capa GaAs por lo que se forma una guía de onda dieléctrica y la luz es confinada en esa zona.

Láser semiconductor que utiliza una cavidad resonante (cavidad fabry-perot) y consiste en dos espejos planos paralelos (son dos cortes en los extremos del cristal el cual se forma en el semiconductor .La densidad Óptica se aumenta.La radiación en la cavidad es coherente.Permite trabajar a bajas densidades de corriente.Opra en un amplio margen de temperatura.Láser multimodo fundamentalmente para 1.3 µm.Desplazamiento típico de en función de tº = 0.38 nm / ºC.

136

Fig. 9.14 Curva a 25 ºC y 85 ºC de un Láser de 1.3 FP.

9.4.1.5 Láseres Multimodos.

En estos tipos de láser el espectro típico de salida no consiste en una sola longitud de onda, sino a diferentes modos longitudinales dentro de la estructura , el espaciamiento de estos modos depende de la longitud de la vavidad óptica correspondiendo cada uno de ellos a un número entero de longitudes .La separación entre ellos es de unas décimas de nanómetros.

Fig. 9.15 Espectro de Salida del Láser MM.

137

9.4.1.6 Láser de Inyección Monomodo.

Fig. 9.16 Espectro de Salida de un Láser Monomodo.

9.4.1.7 Láseres de Bajo Costo.

Uno de los elementos más importantes en el costo global de un transmisor óptico es el enfriador termoeléctrico, el cual , mantiene una temperatura constante en el láser, evitando las variaciones de sus características con la temperatura.

Se han desarrollado láseres capaces de operar en un amplio margen de temperatura en exteriores -40 ºC a +85 ºC..

Ej: Fabry-Perot (FP) y de (DFB).

9.4.1.8 Láseres de Altas Prestaciones.

Bombeo óptico para amplificadores de fibra dopada con Erbio .Potencia >>120 mW y = 1.48 µm.

Para enlaces terrestres se utilizan con enfriadores termoeléctricos para garantizar una temperatura de operación a 25 ºC.Para enlaces submarinos sin enfriadores se prescinde de ellos por su elevado consumo de potencia.

9.4.1.9 Láseres de Alta Potencia.

Aplicaciones de alta velocidad digitales y a la Tx analógica.Las mayores exigencias son para los láseres DFB 1.3 y.55 Pt = -3 a – 4 dBm

138

9.4.2 Terminal Emisor.

Fig. 9.17

Al llegar un impulso eléctrico a la base del transistor Q1 se produce la conducción de este inyectando corriente al diodo .

Fig. 9.18 Circuito Básico de Excitación de un Led.

9.4.2.1 Circuitos de Excitación de un Láser .

El funcionamiento de un láser está afectando por la dependencia de la corriente umbral con la temperatura , la cual, puede hacerlo inestable en su funcionamiento . Si la temperatura de la unión aumenta, también aumenta la corriente umbral Ith..

Se trabaja a una temperatura T 1 con una corriente de excitación I , la potencia luminosa es P1. Si se eleva la temperatura por disipación de calor a T2 el punto de trabajo se trasladará de A a B, estando I = Const, por lo que disminuye la potencia a P2.

Fig. 9.19 Variación de la Corriente Umbral con la T0.

139

Técnica de Regulación de la Temperatura de un Láser.

1. Acople térmico del láser y transistores de polarización.

En ausencia de excitación el transistor Q1 actúa como fuente de corriente que polarizada Q2, y por consiguiente al diodo láser LD.

Si al variar la temperatura de T1 a T2 (Fig..9) se hace variar también la corriente de polarización desde Ip1 a Ip2 la potencia luminosa emitida no varia.

El punto de trabajo se desplaza del punto A al B.

Fig. 9.20

2. Circuito Estabilizador de Temperatura mediante Comparador .

Se utiliza la potencia reflejada en la cara posterior de la cavidad opuesta a la de emisión . Mediante un fotodetector (FD) se recoge la radiación y através de un comparador se determina si la potencia a variado , en cuyo caso se actúa sobre al corriente de polarización .

Fig. 9.21

140

Otra variante es variando simultáneamente la corriente de polarización 6y de la señal. Existen dos lazos de control independientes que parten de la señal entregada por el fotodetector. Uno procede sobre la corriente de polarización y el otro lo hace sobre las variaciones por efecto térmico y las ocasionadas por el envejecimiento del dispositivo emisor.

Fig. 9.22

Desventaja:

Disponer exteriormente de la emisión posterior de la cavidad del láser , lo cual encarece el dispositivo .

Necesitas de incrementar la corriente de polarización al aumentar la temperatura, lo cual, tiende a aumentar aún más esta última . Esto disminuiría la vida útil del dispositivo.

A pesar de esto es posible la estabilización del punto de funcionamiento ya que conforme aumenta la temperatura de un cuerpo , también lo hace la energía radiada por el mismo. Es necesario un disparador térmico.

141

3. Célula Peltier como Método de Estabilización.

La regulación no se dirige hacia la corriente del dispositivo, sino hacia su corriente del dispositivo, sino hacia su temperatura de funcionamiento . Sobre el receptáculo que lo aloja al diodo láser se monta un dispositvo que ofrece la facultad de disminuir su temperatura en función de una corriente de control de célula Peltier.

Si la temperatura aumenta, la emisión del diodo disminuye, lo cual, haría aumentar la corriente por la célula Peltier (a través de un círcuito de control especialmente diseñado) con lo que la temperatura del diodo bajaría , protegiéndose la vida útil del láser.

Fig. 9.23 Circuito de Estabilización mediante la Célula de Refrigeración Peltier .

Tabla 9.3 Comparación entre el Diodo LED y el Láser.

LED Laser

Enlaces

Cortos < 30 KmBajas jerarquías mic (2 y 8 mb /

s)34 mb / s con repetidores entre

5 - 10Km y FO GI.

Cortos y Largos (> 30 Km)FO UM 2da y 3era ventana

Velocidades de conmutación > 50 Mb / s (140 y 560 Mb / s)

142

Características LED Láser

Potencia Óptica. 1 mW 10 mWPotencia Útil Acoplada a la FO . 0.3 mW 3 mWCorriente de Operación . 100 mA 30mAAncho de Banda Espectral . 20-90nm 2-10 nm 0.1(SCH)Espectro de Radiación Más

Monocromático.Ancho de Banda Eléctrico (posibilidad de Modulación ).

100 MHz 10 GHz

Temperatura máxima de Operación . 80 ºC 50 ºCTipo de Fibra . MM MM , UMPatrón de Radiación ( º )ii

Amplio30-4090-115

Direccional8-1050-60

Tiempo de Subida ( ns ). 7 2Perfil Espectral . Gaussiano LabertianoLongitud de Onda. 850,1300 nm 1300,1500nmTiempo de Vida. 1 000 000 hrs. 100 000 hrsCosto. Menor . Mayor .Complejidad del Terminal . Menor. Mayor .

En la actualidad existen láserque emiten más de 15 mW para temperaturas de -40 ºC a 85 ºC, con corriente umbral de 5-7 mA a 20 ºC longitudes de ondas de 1280-1335 nm.

Fig. 9.24 Salida Óptica y Patrón de Emisión en el Campo Lejano de un Láser AlxGa1-xAs.

143

9.5 Receptores Ópticos.

Función: Convertir la señal óptica en eléctrica.

9.5.1 Requisitos de los Receptores.

Alta Sensibilidad de Operación. Alta Fidelidad: Reproducir con fidelidad una transmisión analógica , requiere de la

linealidad de la respuesta del fotodetector .Amplitud de Respuesta Eléctrica: El fotodetector debe producir un máximo de corriente

eléctrica para el total de la potencia óptica recibida.Tiempos de Respuesta Cortos para Obtener el Ancho de Banda requerida.

9.5.2 Terminal Receptor

Fig. 9.25 Terminal Receptor.

Preamplificador: La impedancia de entrad es grande ya que el foto detector esta polarizado inversamente y presenta por ello alta impudencia dinámica .

Ecualizador: La señal a la salida del preamplificador posee un carácter integrado debido al ancho de banda de la fibra, a la constante de tiempo del circuito del fotodetector y del ancho de bando del preamplificador, por lo que se pasa por un ecualizador para su derivación. Se utiliza una red RC diferenciadora.

144

Circuito Automático de Ganancia: Se emplea para diodos APD para modificar su ganancia con la tensión de polarización aplicada . Se compra la señal de salida del amplificado con los niveles requeridos para el decodificador.

Si el nivel de señal es excesivo al CAG disminuye la tensión de polarización y viceversa . Margen dinámico del CAG 20 dB.

Regenerador: Comparador que define cuando la marca de línea recibida es “0” o “1” lógico.

Decodificador: Se debe a la presencia de los códigos de línea utilizados en la transmisión.

Detector de errores: Análisis de las violaciones de código , lo cual, constituye un índice en la calidad de la transmisión .

Fig. 9.26 Configuraciones más usadas para Amplificadores.

a-) Amplificador de Tensión con Alta Impedancia de Entrada .b-) Amplificador Realimentado por Transimpedancia .

a-) Para anchos de banda grandes usando transistores FET .b-) Para anchos de banda inferiores a100 MHz, usando transistores bipolareas, los valores elevados de Rf para reducir el ruido generado , incrementa la constante de tiempo .

Fotodiodo: Unión semiconductora P-N , a la cual se le aplica una polarización inversa, y se somete al flujo de una radiación óptica.

Condiciones de deben reunir para su empleo en Cx por FO:

Corriente en ausencia de luz muy pequeña , para poder discriminar impulsos de luz débiles . Rapidez de respuesta o, su equivalente ancho de banda amplio. Mínimo nivel de ruido adicional generado por el fotodetector.

145

9.5.3 Parámetros de los Fotodetectores.

1. Eficiencia Cuántica: Promedio de Electrones Generados por Fotón Incidente.

n = hv Il / q MPL

Donde:

h Constante de Plank = 6.62617 x 10-34 J/S (W) = 4.1357 eV.s u Frecuencia de Radiación. q Carga del Electrón = 1.60218 x 10-19 Coulombio (A.s). I Fotocorriente (A) P Potencia Óptica (W). M Ganancia = 1 para PIN y APD polarizado con valores <50V

2. Sensibilidad Espectral o Responsabilidad: Relación entre la magnitud eléctrica de salida y la potencia óptica de entrada .

S = IL / PL

Depende de la longitud de onda y de la tensión de polarización.

3. Corriente de Oscuridad: Corriente I de salida en el detector de ausencia de radiación óptica incide.

I =VR / R

Para el Silicio está en el orden de los nA.Para el Germanio está en el orden de los µA.

4. Respuesta Temporal: Puesto que un montaje práctico el fotodiodo va asociado a una resistencia en serie, el comportamiento temporal dependerá del valor de R y de la capacidad eléctrica del diodo (1.5 - 2 pF).

= RCd

146

Fig.9.28 Determinación de la Respuesta Temporal.

Se emiten impulsos ópticos a través de un láser excitado con impulsos eléctricos lo más breve posible (1ns o menos ). Para cada V se determina el tiempo de caída de la señal observada en el osciloscopio.

5. Ganancia M: Cuantífica el efecto de multiplicación por avalancha .

M = IL / IIL = 1 / 1 - ( V/ VB )n

Donde :

IIL Fotocorriente Primaria, producida con baja Tensión de Polarización cuando no se da el

fenómeno de avalancha.

IL Corriente Efectiva Total.

n Coeficiente, función del material.

VB Tensión de ruptura.

V Tensión de polarización aplicada.

6. Potencia de Ruido Equivalente (NEP). Potencia óptica de entrada que se requiere para producir una señal eléctrica de salida igual al ruido del fotodetector por unidad de ancho de banda eléctrico .

Las dos fuentes de ruido de mayor incidencia sobre el funcionamiento del fotodiodo son:

Corriente de Seguridad. Carácter Aleatorio del fenómeno de avalancha.

147

Donde:

Fa Factor de exceso de ruido por avalancha = M

0 para un diodo PIN y 0.3 APD de Si y de 1 - 1.5 APD de Ge.

n Coeficiente que depende del material semiconducto.

NEP Es función de la corriente de polarización ya que la Id lo es.

7. Área útil del Fotodio : 50-500 micras de diámetro según modelo .

8. Apertura de Entrada: Máximo ángulo de incidencia de la luz para el cual la superficie fotodetector está totalmente iluminada .

9. Ancho de Banda Óptico: Anchura espectral para el que corresponde una sensibilidad espectral 50% del valor máximo.

10. Ancho de Banda Eléctrico: Conjunto de frecuencias que modulando ala radiación óptica pueden ser detectadas con un nivel de potencia ≥ 50% del valor máximo.

Esta limitado por:

Capacidad de la unión Cd .Resistencia efectiva total de carga .Resistencia de Fotodetector Rs .Tiempo de subida y caída del impulso eléctrico .

9.5.4 Fotodiodo PIN (positive-instrinsic-negative).

Fig. 9.29 Fotodiodo PIN.

148

Constituido por tres capas:

Una delgada tipo p con muchas impurezas.Una intermedia I (π) de elevada resistividad, notable grosor y poca contaminada que constituye la región activa conocida como zona intrínseca. Una capa n delgada y con gran cantidad de impurezas.

Fig. 9.30 Sección Longitudinal de un Diodo PIN y Distribución del Campo Eléctrico al pasar por el mismo.

Con esta configuración el campo eléctrico se extiende por todo el grosor de la zona I en presencia de una polarización inversa de algunas decenas de voltios . La luz absorbida por las capa I como P es muy delgada origina la formación de pares electrón – huecos. El campo eléctrico separa las cargas y dirige los electrones hacia la capa N y los huecos hacia la P, generando una corriente inversa proporcional a la luz recibida . En la oscuridad está corriente se reduce a unos pocos pA (dark current).

9.5.5 Fotodiodo de Avalancha (APD o FDA).

Los fotodiodos al aplicárseles un voltaje de polarización generan una corriente primaria de electrones por la interacción luz-materia .

Si dicho voltaje es alto, se aceleran los electrones primarios de forma tal que al chocar con los átomos de la red cristalina se liberan nuevos electrones que a su vez serán capaces de romper nuevos enlaces, originando un efecto multiplicativo llamado Avalancha .

Este fenómeno se puede cuantificar a través del parámetro M .

149

Fig. 9.31 Estructura de Sección Longitudinal de un APD y Variación del Campo Eléctrico en su Interior.

Para la fabricación del APD se parte de un sustrato p y mediante crecimiento epitaxial se obtiene la región intrínseca. Posteriormente se crean las regiones p y n a través de procesos de difusión desde la cara de arriba del material.

Relación S/N como función del factor de multiplicación M .

Existe un valor óptimo en la ganancia de fotodido . Por encima de este valor comienza a predominar el ruido shot y aparición del factor de ruido Fa , por lo que la relación S/N baja .Ver Fig. 9.37.

Influencia de la temperatura en un APD.

El aumento de la temperatura del dispositivo debido al efecto de disipación térmica provoca un aumento del factor de exceso de ruido Fa.

Para controlar este efecto se emplea un control automático de ganancia.Ver .Fig 9.38 Efecto de la temperatura sobre las características de un dispositivo APD.

Parámetros Silicio Germanio

Tensión de Ruptura (v) 80-500 40Eficiencia Cuántica (%) =

850nm18-50 40

del Área Activa (µm) 100-500 250Capacidad de la Unión (pf) 2-3 5

Corriente de oscuridad id(na) 0.1-0.5 200Valor de en fa = m 0.3-0.4 1

Tabla 9.4 Parámetros Típicos de APD.

150

Fotodiodo PIN APD

Longitud de Onda de max. Eficiencia (nm)

900 900

Eficiencia Cuántica (%) 83 86Responsabilidad S (I/W) 0.65 75Corriente de Oscuridad id(nA) 10 50NEP(W/Hz) 1x10-3 1.5x10-14

Tiempo de Subida ts (ns)Capacidad cd (pf)

32.5

22

Tensión de Polarización (V) 45 275-425Ángulo de Apertura de Entrada (1/2 ) 31º 55ºGananciaAncho de Banda (MHz)

1150

120250

Tabla 9.5 Características de Fotodiodo comerciales PIN y APD de silicio .

1era Ventana APD de Silicio . 2 da Ventana PIN de Ingaes y los APD de Ge 2da y 3era Ventana El fosfoarsenico de galio e indio GaAsInP > 1 µm

Aplicación :

PIN Para detecciones con buena discriminación de posibles niveles de luz como : Metrología óptica .

Transmisiones analógicas y enlaces digitales de no gran longitud entre repetidores. APD enlaces digitales largos.

9.6 Amplificadores de Fibra Óptica (OFA).

Clasificación:

Amplificador de potencia (booster). Preamplificador Amplificadores de línea.

9.6.1 Amplificadores de Potencia (AP).

Dispositivo OFA de potencia que se integra al transmisor óptico para aumentar la potencia óptica del mismo.

151

9.6.2 Preamplificadores de Potencia (PA).

Dispositivo OFA de potencia que se integra al receptor para mejorar su sensibilidad.

9.6.3 Amplificadores de Línea (AL).

Dispositvos OFA de bajo ruido que se utilizan entre secciones de fibra para compensar las pérdidas de transmisión .Existen dos variantes : Regeneración y Amplificación directa.

1. Repetidor electro – óptico : la señal óptica atenuada se convierte en señal 3eléctrica y se regenera.

2. Repetición de la Sx óptica directam ente sin pasarla a electrónica mediante el uso de una fibra dopada con Erbio ( Er+3 ) .

La amplificación se obtiene por emisión estimulada de luz cuando la señal óptica llega al medio amplificador. Esta emisión se produce gracias a una aportación de energía exterior estática denominada bombeo óptico , Bajo el efecto de bombeo óptico ciertos electrones de los iones Erbio (Er) se excitan a un nivel de energía superior a su nivel de estabilidad. Cuando los fotones de luz inciden penetran en el medio amplificador, dopado con Erbio , provocan la cída de los electrones a su nivel de base . Esta recaída se traduce por la emisión de luz estimulada en una longitud de una onda determinada . E l fenómeno va acompañado de emisión espontánea ya que ciertos electrones caen sin ser solicitados, originando el llamado “ruido óptico” , el cual al ser amplificado , influye en la detección de la señal principal por el receptor.

Estos tipos de amplificadores funcionan actualmente en la tercera ventana 1550 nm .

Diferencia Fundamental . En los sistemas de regeneración se necesita conformar la señal de línea en el amplificador , mientras que en los sistemas de amplificación directa la señas no se regenera sino que se amplifica .

Configuraciones :

Tx + AP + Rx Tx + PA + Rx Tx + AL + Rx Tx + AP + PA + Rx Tx + AP + AL + Rx Tx + AP + PA + Rx Tx + AP + AL + PA + Rx

152

TEMA 10

153

154

Mediciones referentes a la Fibra Óptica:

Pérdidas de transmisión (Acentuación Óptica ).Características pérdidas vs longitud de onda .Ancho de banda de transmisión .Localización del lugar de las fallas.

Mediciones referentes a los componentes y semiconductores: Potencia emitida por el transmisor:

Longitud de onda de la luz emitida.Espectro de la luz emitida .Sensibilidad y atenuación en el receptor óptico.

Mediciones

Campo deAplicaciones

Pérdidas ÓpticasPérdidas

enEmpalmes

Características deTransmisión

Continuidad

Equipos de Medición.

Medidorde

PérdidasOTDR OTDR

Equipo para medir la característica de

dispersión cromáticaOTDR

Medidorde FO

Construcciones X X X X X XMantenimiento X X X X X XLocalización deFallas.

X X X X X X

Después de Reparar X X X X X X

Tabla 10.1 Mediciones y Campos de Aplicación.

155

TEMA X.MEDICIONES DE LAS COMUNICACIONES

POR FIBRA {OPTICA.

10.1 Mediciones de Atenuación.

Atenuación de una señal:

A=10 log Pr / Pe (dB)

El coeficiente de atenuación a una determinada entre dos puntos 1 y 2 separados por una distancia L está dada por:

= A / L = ( 10 / L ) log Pr / Pe ( dB / Km )Donde:

Pr Potencia luminosa recibida Pe Potencia luminosa emitida.

La potencia expresada en mW: P ( dBm ) = 10 log Pr / 1mW.La potencia expresada en µW: P ( dB ) = 10 log Pr / 1 µW.

10.1.1 Medición de la Atenuación por Método de Corte.

Se inyecta una banda espectral angosta de luz a todo lo largo de la fibra y se mide la potencia P1. Sin alterar la punta de entrada se cortan 2m de fibra y se realiza la transmisión .La potencia medida es usada como potencia de referencia de entrada P2 para la fibra de longitud larga.

Coeficiente de Atenuación:

= 10 / L1 - L2 log P1 / P2 ( dB / K )

Donde:

L1-L2 Longitudes de la fibra en Km. P1 Potencia salida de los 2 metros de fibras. P2 Potencia salida de la fibra de longitud larga.

156

Fig. 10.1 Medición de la Atenuación por Método de Corte .

Ventajas:

Método DestructivoMedición más exacta que esotros métodos.Se puede seccionar la longitud de onda.

Condiciones FO MM FO UM

Núcleos a.n.FO a.n.fuentea.n. 50 0.200 0.14 0.20

62.5 0.275 0.1985 0.260 0.18100 0.290 0.32

Longitud de Fibra.

Completa y 2 m + 0.2mCompleta y 2 m + 0.2m

de la Fuente. ≤10nm ≤10nmde Medición. 850 y 1300 + 10nm 1000 y 1600 + 10nm

Tabla 10.2 Condiciones de Pruebas Típicas Usadas.

10.1.2 Método de Fibra de Referencia: (dummy fibre) o Método de las Pérdidas de Inserción.

Consiste en intercalar entre la fuente de la luz y la fibra en medición un tramo corto de fibra auxiliar de carácter semejante a la prueba a través de un conector .Se realizan 2 mediciones : una a través de todo un conjunto y otra incluyendo solamente el tramo de fibra auxiliar .

Fig. 10.2 Método de Referencia.

157

= 10 / L1 - L2 log P1 / P2 - c ( dB / Km )

Donde: c = Pérdidas en el Conector.

Método no destructivo para la fibra .Menos exacta las medición que el método de corte .Apta en condiciones de funcionamiento real, destinándose sobre todo su empleo con tramos de cables conectorizados. La potencia que se inyecta en la fibra en medición P1 es conocida.

10.1.3 Método de Medición por Retrodispersión (backscatering).

Aplicable a fibras monomodo , se utiliza el reflectómetro óptico en dominio del tiempo (O.T.D.R) , el cual permite verificar:

1. Pérdidas Óptica en empalmes , conectores , por tramos .2. Longitud de la Fibra3. Retrodispersión de la Luz en el cable.4. Continuidad Óptica del Cable.5. Atenuación Total.

Consiste en aplicar un impulso luminoso por uno de los extremos de la fibra y recoger con un fotodetector la energía que es devuelta por la luz retroesparcida después que se propaga en la fibra.

Valor máximo permitido de potencia esparcida: -27 db de trabajo 1310 y 1550 nm.Las mediciones 1, 2 , 5 se pueden realizar al mismo tiempo con el O.T.D.R.

Ventajas:

No requiere ambos extremos de la fibra . No es destructivo Proporciona información de toda la longitud de la fibra Repetibilidad elevada , lo cual lo hace muy útil en condiciones de campo . Efectivo para la detección de fallos.

Desventajas:

Menos preciso para la Medición de Atenuación El Método resulta sensible a alas inhomogenidades en las características de la fibra como son la AN , y el diámetro del núcleo. Los valores de atenuación puede tener unaa variación de un 10% en la atenuación efectiva respecto al método de corte . No realiza mediciones espectrales (solo mide una ). No hay forma de controlar la distribución de modos en la luz retrodispersada. Como consecuencia de esto la atenuación es distinta en los dos sentidos de propagación por

158

consiguiente la atenuación medida es el promedio entre el valor de atenuación que sufre la luz progresiva (con distribución de medos controlada) y la luz regresiva (con distribución de modos no controlada).

FIG. 10.3 Método de Retroesparcimiento.

10.1.3.1 Medición en Empalmes y Conectores.

La medición se realiza bidireccional para evitar obtener mediciones falsas debido a la diferencia que existe entre los diámetros del campo modal de los núcleos.

El promedio de las pérdidas por diferencia de los diámetros del campo modal medidas en los empalmes debe ser ≤ 0.17 dB .

Pe = 10log ( W1 / W2 + W2 / W1 )

Donde:

W1,W2 Valores del campo modal para la fibra 1 y la 2

Límite de especificación:

W1 = 9 y W2 = 11 µm 22% de dif. Pe = 0.1737 dB

Ningún pico de Fresnel debe encontrarse en un empalme realizado por técnica de fusión.

El promedio de los valores medios en los conectores para ambas debe ser ≤ 0.7 dB

159

El valor promedio de las pérdidas tanto en empalmes como en conectores medido a 1550 nm no debe ser superior al medido a 1310 nm .

10.1.3.2 Atenuación de Total del Cable.

Al igual que las otras mediciones se realiza en ambos sentidos.

≤ FO 1 + NE E +NC C

Donde:

FO Atenuación lineal de la fibra óptica òrKm.

NE Números de empalmes en el enlace.

E Pérdidas debido a los empalmes .

NC Número de conectores machos (2 en un enlace )

C Pérdidas en estos conectores 0.7/2= 0.35 dB

Si el enlace es mayor a 60Km realizar la medición como sigue:

Medir desde el empalme situado a la mitad del enlace hacia el punto inicial y final Medir desde los extremos del enlace hacia el empalme.

Utilizar la tecla del otdr para dicha medición .Poner 2 cursores en la zona lineal de la fibra (A y B)La atenuación promedio debe ser ≤ a los siguiente valores :

Fig. 10.4 Medición de la Atenuación Lineal.

160

( nm ) Dispersión Normal db / Km Dispersión Corrida db / Km

1310 0.401550 0.30 0.25

Fig.10.5 Enlace para las Mediciones con el OTDR.

Donde:

B1 y B2 Bobinas de Pruebas .

C1 y C2 Conectores

E1 y E2 Empalmes

Atenuación:

A = ( A + A ) / 2 ( dB )

A1 Atenuación medida en un sentido

A2 Atenuación medida en sentido opuesto

10.1.3.3 Medición de la Longitud del Tramo de Fibra.

161

Fig. 10.6 Medición de la Longitud por Tramos.

Poner el cursor en A . Poner el cursor en B La longitud ab representa la longitud de la fibra.

10.1.4 Mediciones de Pérdidas de Inserción en pig - tails y jumpers.

Pig-Tails: Cable flexible de conexión de fibra óptica con conector en un solo extremo .Jumpers : Puente ,poseen conector en ambos lados.

Se toma un Jumpers de referencia y se conecta entre una fuente y un detector , la potencia se toma como referencia cero.

Fig. 10.7

Insertar el Pig-Tails o el Jumper que se desea caracterizar entre el Jumper de referencia y el detector , se mide la potencia .

Fig. 10.8

Perdidas por inserción = A1-A2(dB).

10.2 Medidas de Ancho de Banda.

10.2.1 Técnica en el Dominio del Tiempo.

Consiste en determinar el ancho de banda de la fibra a partir del estudio de la respuesta de la misma frente a un pulso óptico de corta duración.

Se emite un pulso luminoso angosto que pasa a través de un combinador de modos (se logra que todos los modos se exciten uniformemente ) a la fibra. Un mezclador de modos puede realizarse empalmado tres tramos de un metro de fibra de índice gradual y de índice a escalón de manera de obtener una configuración : gradual – escalón – gradual de esta forma se logra un fuerte intercambio de modos.

162

Se conectan 2 mts, de fibra al receptor con el fin de obtener un espectro de referencia , la salida de este se conecta a un osciloscopio de alta velocidad . La fibra en medición se conecta al receptor.

Un sistema de almacenamiento y procesamiento de datos permite memorizar el pulso que entra en la fibra P1t y el que sale P2t . Con estos datos la computadora calcula la transformada de Fourier P1w y P2w de cada pulso y a partir de ellos calcula la función de transferencia de la fibra Hw frecuencia por frecuencia.

Hw= P2w / P1w

A partir de Hw el ancho de banda de la fibra se calcula como la frecuencia para la cual el módulo de Hw cae 3dB respecto de 0Hz.

Fig. 10.9 Esquema para la Medición del Ancho de Banda por el Método de Dominio del Tiempo.

10.2.2 Técnica en el Dominio de Frecuencia.

Se conectan 2 mts , de fibra (referencia) y se inyecta una señal óptica modulada en forma sinusoidal. Esta señal se introduce en la memoria del analizador de espectro , posteriormente se conecta la fibra a medir y se observa en la pantalla del analizador la diferencia entre la señal debida a la longitud total y la de referencia.

El modulo de transferencia está dado por : Hw = Ps (w) / Pe (w)

Donde :

Ps (w) Señal de salida de la Fibra.

Pe (w) Señal de salida de referencia o de entrad de la fibra .

Fig.10.10 Medición del Ancho de Banda por el Método de Dominio del Tiempo.

163

10.3. Medición de la Apertura Numérica (AN).

1. Se calcula a través de los índices de Refracción del Núcleo y el Revestimiento.

Para una fibra MM SI se obtiene un valor único que corresponde al ángulo máximo.

2. Medición de la distribución de potencia óptica de campo lejano saliendo de una fibra de 2 mts.

Este método consiste en determinar el máximo ángulo dentro del cual se tiene potencia óptica saliente de la fibra en medición , la cual previamente ha sido excitada en gorma apropiada .

La fibra se ilumina con un haz monocromática obtenida filtrando la luz emitida por una lámpara alógena. El modulador tiene como finalidad modular el haz de luz para poder efectuar una detección sincrónica y mejorar la relación s/n .

El fotodiodo utilizado se encuentra situado sobre un montaje mecánico móvil que puede desplazarse mediante un motor con desplazamiento micrométrico , de esta forma se realiza un barrido del cono de luz proyectado por la fibra .

La corriente de salida del fotodiodo se inyecta en el amplificador sincronizado . Todo el sistema es gobernado por un sistema de adquisición y procesamiento de datos. El computador elabora la señal y la entrega a través del graficador en forma de gráfico . La distancia espacial entre el 5% del nivel de intensidad se registra y se determina la A.N .

AN = SEN ( 1 + 2 ) / 2

Fig. 10.11 Distribución del Campo Lejano.

164

TEMA 11

165

166

11.1 Configuración del Sistema.

167

TEMA 11.SISTEMA DE TRANSMISIÓN POR FIBRA

ÓPTICA.

Fig. 11.1 Configuración del Sistema.

11.2 Diseño de un Sistema de Transmisión a través de Fibra Óptica.

168

Fig. 11.2 Proceso de Diseño de un Sistema de Transmisión a través de Fibra Óptica.

11.3 Calculo del Sistema.

Conociendo a grandes rasgos la composición del sistema de telecomunicaciones por fibra óptica, relacionamos los parámetros fundamentales a tener en cuenta en el cálculo de dicho sistema:

Velocidad de transmisión y capacidad de enlace.Longitud de enlace.Tasa de error.Código de líneas.Emisor: tipo, potencia de emisión, ancho espectral.Fotodetector : tipo, sensibilidad.Margen del sistema.Tipo de fibra: monomodo o miltimodo. Tipo de cable. Empalmes y conectores. Repetidores Valor de la penalización por la interferencia intersímbolos.

Jerarquía Velocidad en PDH Mbits /s Orden Canales Teléfonicos

Europa 2.048 1 30

169

8.448 2 12034 3 480140 4 1920565 5 7680

Americana

1.544 1 246.312 2 96

45 3 672274 4 4032

Japón

1.544 1 306.312 2 96

32 3 48098 4 1440397 5 5760

Tabla 11.1 Velocidad de Transmisión V y Capacidad de Enlace.

Las velocidades de transmisión para una red SDH, independientemente de la jerarquía y velocidad de transmisión PDH son:

STM-1 STM-4 STM16

155 Mbits / s

620 Mbits / s

2480 Mbits / s

Tabla 11.2

Longitud de Enlace (L): Determinada por dos razones de planta. Será cubierta a base de tramos o secciones de repetición obtenidas tras el empalme del contenido de varias de cables.

Tasa de Errores: Parámetro puramente técnico que define la calidad de la transmisión. Mientras más potente es el transmisor y mayor sensibilidad y menos ruido tenga el receptor la tasa de error será mejor.

BER= Cantidad de bits errados / Cantidad de bits total muestreados en tiempo disponible. Según las recomendaciones G.821 y G.826 UIT-T: Se considera que la señal está degradada para un BER = 10-6 - 10-3

Para un BER =10-3 por un tiempo de 10 segundos se considera tiempo de disponibilidad . El calculo de un sistema de transmisión por fibra se realiza garantizado un BER =10-9

Código de Línea:

170

Son necesarios para:

Seguimiento a la calidad de transmisión , mediante el monitoreo de la tasa de errores en la recepción. Estos errores son inducidos por la generación de ruido intrínseco o añadido defectos en el ancho de banda , pérdidas de sincronismo , alineadas , etc.

Extracción de la señal de sincronismo, imprescindible para la demodulación y determinación de la información impresa en la señal transmitida.

Reducción del valor de corriente continua y componentes de baja frecuencia, que afectan los puntos de funcionamiento de los dispositivos modificando la ganancia en los amplificadores , pudiendo crear afectos de alinealidad y saturación .

Posibilidad de envío de información adicional, como señales de alarmas y supervisión.

El empleo de cualquier tipo de código implica un aumento en la velocidad de transmisión:

Los códigos más usados en un Sistema de Transmisión por Fibra Óptica son:

1. Códigos de bloques binarios del tipo NBMB.

N bits se transforman en M bvits con el agregado bit de paridad para el control de la tasa de error.

Debido a la utilización de este código , la velocidad de transmisión a considerar en M bit/s será Vx M/N= V1.

Un sistema óptico de comunicaciones tiene alrededor de 1:1.05 de relación de conversión de Bw a razón de bits, por lo tanto, para conocer cuantos MHz es V1 se divide por 1.05.

Ej: 34 Mbits / s x 6 / 5 = 40.8 Mbits / s 1.05 = 38.85 MHz.

2. Código CMI (Código de Marcas Invertidas).

Pertenece al tipo de código 1B2B, es decir cada bit de entrada supone la emisión de dos bits como salida, con lo que la velocidad digital se duplica . Utilizando en velocidades de Tx de 2 Mbits / s.

3. Código Bifase : se duplica la velocidad digital.

4. Códigos AMI

Se emplean señales bipolares a tres niveles +1,0-1 , lo que le permite reducir prácticamente a cero el contenido de corriente continua. Duplica el ancho de banda.

Es posible la extracción de la información de sincronismo con circuitos resonantes de factor Q relativamente bajo.Emisor Óptico:

171

Los parámetros del emisor a tener en cuenta son :Tipo ( Led ó Laser ) , Potencia óptica de emisión Pt, Longitud de onda de trabajo , Ancho Espectral de la Fuente

Para las jerarquías MCI 2 y 8 Mb/s el componente idóneo es el LED dado su ventajoso precio, tiempo de vida. Incluso en la velocidad de 34 Mb/s con vanos de repetición entre 5-10 Km.En la 1 era ventana y fibra y fibra de índice gradual puede usarse también el LED.Para velocidades de conmutación superior (140y 560 Mb / s) o trabajando en la 3era ventanas hace4 imprecindible el Láser.

Los diodos LED se remplazará cuando la potencia ha descendido 3 dB óptico.

Los diodos Láser se remplazarán cuando el aumento de la corriente polarización alcance un 50% de la corriente inicial. En este momento se activará, avisando la sustitución de dispositivo.

Fotodetector Öptico: Los parámetros a tener en cuenta son : Tipo de FD : APD o PIN y Sensibilidad .

.Nota: Deben preocuparse emisores y detectores dotados de un cabo de fibra embutida para un coplo emisor –fibra y fibra – receptor óptimo.

Margen del Sistema:

Corresponde a las máximas pérdidas que pueden tolerarse manteniendo la calidad específica , es decir, diferencia en dB entre la potencia disponible a la entrada de la fibra en emisión y sensibilidad el receptor para una tasa de error dada.

Incluye: Atenuación de la fibra ( dB/Km ) Pérdidas en Empalmes ( se toma 0.1 dB ) Pérdidas en los conectores del Tx y Rx : ( 0.75 -1 dB ). Pérdidas en los conectores del distribuidor de fibra : (0.6 dB).

Margen de Seguridad ( Ms ):

Prevé pérdidas por degradación y envejecimiento del emisor. Para los LED = 7 dB y para los LD = 9 dB . En la práctica se toma Ms = 1 dB y se considera la

atenuación por envejecimiento del equipo env equ

Atenuación por envejecimiento de la fibra : 0.05 dB / Km.

Tipo de Fibra:

172

Nivel de Jerarquía Velocidad de Tx Mbit/s Tipo de Fibra Aplicación

1 2 MM Especiales2 8 MM Urbanos3 34 MM Urbanos

4 140MMUM

UrbanosInterurban

os

5 565 UMInterurban

os

Tabla 11.3

Seleccionar la fibra( monomodo o multimodo ) de dependencia del nivel de jerarquía y sus aplicaciones . Enlaces largos(superiores a 30 km ) y 2da y 3era ventanas: monomodo.

Tipo de Cable:

Determinar la cantidad de fibra a utilizar en el cable según el orden digital .

Se recomienda cables totalmente dieléctricos ya que son menos pesados, lo que permite tendidos mayores, se reducen las dimensiones del cable y en caso de ser aéreo se protege contar descargas eléctricas .

Generalmente se deja una fibra de reserva por cada 5 fibra en uso. Para mejorar el aprovechamiento del cable se utiliza la técnica de multiplexación por longitud de onda.

Empalmes y Conectores:

El número de empalmes depende de la máxima longitud del cable disponible en los carretes y la longitud del enlace.

Los carretes de cables generalmente vienen con una longitud de 2Km + 50 – 100 m. Los conectores se utilizan para conectar los extremos de las fibras. Los transmisores y receptores ópticos vienen vinculados con sus conectores.

Repetidores Ópticos:

El número de repetidores a utilizar depende de : longitud del enlace , Atenuación , Potencia del emisor , sensibilidad del receptor.

Los puntos de repetición deben coincidir con estaciones Intermedias dotadas de alimentación locales incluso de atenciones personale4s para evitar la telealimentación.

Existen cables de fibra óptica donde se integra no solo la fibra sino también una serie de portadores de cobre para conducir la corriente de telealimentación de los repetidores.

173

Para las telecomunicaciones interoceánicas estos portadores son imprescindibles , no siendo así para las comunicaciones urbanas e interurbanas.

Valor de la Penalización por la Interferencia Intersímbolos o Ecualización:

Debido a la dispersión modal y material de la fibra sobre y todo en las velocidades de transmisión más alta, a la constante de tiempo del circuito del fotodiodo , y el ancho de banda del preamplificador , o sea la señal tiene un carácter integrador por lo que se hace necesaria su derivación para lo cual se utiliza un circuito denominado Ecualizador .Dicho circuito acentúa la ganancia de sus frecuencias, pero ocasiona un incremento del ruido a la salida . Para neutralizar tral efecto se prevé una potencia óptica adicional a la entrada del receptor , compensándose la pérdida de sensibilidad del fotodetector .Dicha potencia se denomina Penalización por Ecualización.

Cálculo de Enlace:

El Cálculo de Enlace puede hacerse de varias formas en dependencia de la posibilidad de recursos y la estrategia de la administración .Los dos elementos a tener en cuenta durante el cálculo:

Balance Energético y Dispersión Temporal de la Fibra –Ancho de Banda.

Balance Energético : Pt = Sr + ( FO + env-FO ) L + Ne e + NCenv equ + Ms + Pe

Donde:

Pt Potencia Óptica del Emisor en dBm

Sr Sensibilidad del Receptor en dBm

FO Atenuación de la Fibra den dB (Ver Tabla 4.8 Pag .30)

env-FO Atenuación en la Fibra por Envejecimiento = 0.05 dB/Km

L Longitud del Enlace en Km .

Ne Número de Empalmes .Se puede considerar = L/ LB

LB Longitud de la Fibra en Carrete = 2 Km

e Pérdida en unEmpalme ( se toma un valor máximo de 0.1 dB )

NC Número de Conectores.

Pérdidas en los Conectores =0.75-1dB

env equ Atenuación por el Envejecimiento del Equipo .

Ms Margen de Seguridad =1 dB

Pe Penalización por Ecualización o Interferencia Intersímbolos =1 a 2 dB

174

Dispersión Temporal de la Fibra : L = L D / 2.35

Donde:

L Largo de la Fibra en Km

Ancho Espectral del Emisor en nm.

D Coeficiente de Dispersión Cromática = M-G en ps/nm.Km

M Coeficiente de Dispersión del Material en ps/nm.Km

G Coeficiente de Dispersión por Guiaonda en ps/nm.Km

Ancho de Banda :

Para fibra monomodo.

Bw ( GHz ) = 0.187 / L = 0.44 / L D

Bw = V / 1.05

Para Fibra Multimodo.

Bw ( GHz ) = 1 / [ ( LE / Bm )2 + (D.L / 0.44 )2 ]1/2

Donde:

Bm Ancho de Banda Intermodal .

175