Barcelona, julio de 2009.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ÁREA DE ELECTRÓNICA LAB. DE COMUNICACIONES I Profesora: Mardelinis Vázquez Bachilleres: Anato Andreina C.I Bravo Ángel C.I Perdomo Helyson C.I Ricardi Maira C.I Barcelona, julio de

2 Índice Introducción Objetivo 04 Marco Teórico Materiales y Equipos Utilizados.15 Desarrollo Observaciones Conclusiones...21 Bibliografía.22 2

3 Introducción. En la presente práctica estudiaremos la fibra óptica, su concepto, ventajas entre otras cosas. Tecnología que consiste un conducto generalmente de fibra de vidrio (poli silicio) que transmite impulsos luminosos normalmente emitidos por un láser o LED. Las fibras utilizadas en telecomunicación a largas distancias son siempre de vidrio; las de plásticos sólo son usadas en redes locales. En el interior de la fibra óptica, el haz de luz se refleja contra las paredes en ángulos muy abiertos, así que prácticamente avanza por su centro. Esto permite transmitir las señales casi sin pérdida por largas distancias. La fibra óptica ha reemplazado a los cables de cobre por su costo/beneficio. 3

4 Objetivo. Describir otros conceptos y parámetros característicos de la fibra óptica: dispersión modal, fibras de índice abrupto y de índice gradual, monomodo, dispersión cromática, ancho de banda atenuación y ventajas. 4

5 Marco Teórico. La fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a gran velocidad, mucho más rápido que en las comunicaciones de radio y cable. También se utilizan para redes locales. Son el medio de transmisión por excelencia, inmune a las interferencias. Tienen un costo elevado. Aplicaciones Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. Comunicaciones con fibra óptica La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen. Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodo para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia. Debido a que las fibras 5

6 monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras y conectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras multimodo. Internet El servicio de conexión a Internet por fibra óptica, derriba la mayor limitación del ciberespacio: su exasperante lentitud. El propósito del siguiente artículo es describir el mecanismo de acción, las ventajas y sus desventajas. Para navegar por la red mundial de redes, Internet, no sólo se necesitan un computador, un módem y algunos programas, sino también una gran dosis de paciencia. El ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero. Un usuario puede pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de bajar un programa de la Red a su PC. Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50 millones de usuarios para conectarse a Internet, no fueron creadas para transportar videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la Red. Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio. Recientemente un servicio permite conectarse a Internet a través de la fibra óptica. La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a bps. Redes La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de 6

7 comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 Km., frente a aproximadamente 1,5 Km. en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia. Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electro ópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra. Red de área local o LAN, conjunto de ordenadores que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos (por ejemplo impresoras). Las computadoras de una red de área local (LAN, Local Area Network) están separadas por distancias de hasta unos pocos kilómetros, y suelen usarse en oficinas o campus universitarios. Una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información en el seno de un grupo de usuarios y reduce los costes de explotación. Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia (WAN, Wide Area Network) o las centralitas particulares (PBX). Las WAN son similares a las LAN, pero conectan entre sí ordenadores separados por distancias mayores, situados en distintos lugares de un país o en diferentes países; emplean equipo físico especializado y costoso y arriendan los servicios de comunicaciones. Las PBX proporcionan conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como transmisiones telefónicas, pero no resultan adecuadas para emitir y recibir 7

8 los picos de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas. Las redes de comunicación públicas están divididas en diferentes niveles; conforme al funcionamiento, a la capacidad de transmisión, así como al alcance que definen. Por ejemplo, si está aproximándose desde el exterior hacia el interior de una gran ciudad, se tiene primeramente la red interurbana y red provisional, a continuación las líneas prolongadas aportadoras de tráfico de más baja capacidad procedente de áreas alejadas (red rural), hacia el centro la red urbana y finalmente las líneas de abonado. Los parámetros dictados por la práctica son el tramo de transmisión que es posible cubrir y la velocidad binaria específica así como el tipo de fibra óptica apropiado, es decir, cables con fibras monomodo ó multimodo. Telefonía Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de transmisión por fibra óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (línea de abonado), hay ante todo una serie de consideraciones. Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes. Precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, la fibra óptica se hará imprescindible para el abonado. Con el BIGFON (red urbana integrada de telecomunicaciones en banda ancha por fibra óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto. Según la estrategia elaborada, los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de telecomunicaciones integrada en banda ancha (IBFN). 8

9 Sensores de fibra óptica Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión, la temperatura, la presión y otros parámetros. El tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica le da ciertas ventajas respecto al sensor eléctrico. Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sónar. Se ha desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabajaba con un láser y las fibras ópticas. Los sensores de fibra óptica para la temperatura y la presión se han desarrollado para pozos petrolíferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores de semiconductores. Otro uso de la fibra óptica como un sensor es el giroscopio óptico que usa el Boeing 767 y el uso en microsensores del hidrógeno. Más usos de la fibra óptica Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco que no se encuentra en la línea de visión. La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros. Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar instrumentos de visualización largos y delgados llamados endoscopios. Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a través de un agujero pequeño. Los endoscopios industriales se usan para propósitos similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas. Las fibras ópticas se han empleado también para usos decorativos incluyendo iluminación, árboles de Navidad. Líneas de abonado. 9

10 Las fibras ópticas son muy usadas en el campo de la iluminación. Para edificios donde la luz puede ser recogida en la azotea y ser llevada mediante fibra óptica a cualquier parte del edificio. También es utilizada para trucar el sistema sensorial de los taxis provocando que el taxímetro (algunos le llaman cuentafichas) no marque el costo real del viaje. Se emplea como componente en la confección del hormigón translúcido, invención creada por el arquitecto húngaro Ron Losonczi, que consiste en una mezcla de hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que ofrece la resistencia del hormigón pero adicionalmente, presenta la particularidad de dejar traspasar la luz de par en par. Funcionamiento Los principios básicos de funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión interna total) y la ley de Snell. Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo limite. Características Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total. 10

11 Así, en el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias. A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus características han ido cambiando para mejorarla. Las características más destacables de la fibra óptica en la actualidad son: Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertas convencionales. Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta, la cubierta resistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra óptica contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida de la fibra. Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la humedad en el interior de la fibra con múltiples capas de protección alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida útil y confiabilidad en lugares húmedos. Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales. Ventajas Su ancho de banda es muy grande, gracias a técnicas de 11

12 multiplexación por división de frecuencias (X-WDM), que permiten enviar hasta 100 haces de luz (cada uno con una longitud de onda diferente) a una velocidad de 10 GB/s cada uno por una misma fibra, se llegan a obtener velocidades de transmisión totales de 1 Tb./s. Es inmune totalmente a las interferencias electromagnéticas. Es segura. Al permanecer el haz de luz confinado en el núcleo, no es posible acceder a los datos trasmitidos por métodos no destructivos. Es segura, ya que se puede instalar en lugares donde puedan haber sustancias peligrosas o inflamables, ya que no transmite electricidad. Desventajas A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes: La alta fragilidad de las fibras. Necesidad de usar transmisores y receptores más caros. Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable. No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios. La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica. La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas. 1 No existen memorias ópticas. Tipos Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior 12

13 de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo. Tipos de fibra óptica. Fibra multimodo Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 Km.; es simple de diseñar y económico. Su distancia máxima es de 2 Km. y usan diodos láser de baja intensidad. El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo: Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal. Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales. Además, según el sistema ISO para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda las fibras pueden ser OM1, OM2 0 OM3. 13

14 OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet(300 m), usan láser como emisores. Fibra monomodo Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 100 Km. máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de GB/s). 14

15 Materiales y Equipos Utilizados. Modulador MCM40 Osciloscopio Cable numero 1 Cable numero 2 Cable numero 6 Adaptador ST-ST 15

16 Desarrollo. Se alimento el módulo. Se desconecto el puente j13 y se conectaron j7c, j9b, j10b, etc. y se aplicó una señal de datos alternados a la entrada. Le conecto el Led al fotodiodo utilizando el cable #1 y el cable #6. Se sitúo el potenciómetro en la posición intermedia. Y se insertó j15b y se analizó con el osciloscopio la forma de onda en tp24. Se tomó nota de la amplitud Vout1 de la onda detectada. Vout1= 318mV Vpp Se sustituyó el cable #1 por el cable #2 y se midió en tp24 la nueva amplitud Vout2 de la señal 16

17 Vout2= 420mVpp Q1 Que se detecta? La amplitud disminuye por efecto de la mayor atenuación de la señal óptica causada por la mayor longitud de la fibra. Observación Manteniendo fija la potencia en la fibra en (proporcionada por el Led a 660nm), en la salida de la fibra de 1.5m se tiene una señal de amplitud igual a Vout (proporcional a la potencia recibida) y en la salida de la fibra de 5m se tiene una amplitud igual a Vout2. la razón Vout2/Vout1 proporcionaría una inducción de la atenuación introducida por los 3.5 m suplementarios de fibra, a la longitud de 660nm. Calcular la razón Vout2/Vout1. 318mv/420mv

18 Pérdidas de acoplamiento Mantener las mismas condiciones que la prueba anterior. Analizar con el osciloscopio la forma de onda tp23. Vout3= 380mV Vpp Se sustituyó el cable #1 por el cable #2 y se midió en tp23 la nueva amplitud Vout4 de la señal. Vout4= 70mV Se calculó la razón Vout4/Vout3. 70mV/380mV 0.18 Doblar el cable levemente la fibra de unión cable #6 y observar la señal tp23 18

19 Se detectó que la amplitud disminuye debido a las perdidas de curvatura de la fibra. 19

20 Observaciones. En el presente informe falta una grafica debido a que esta aparece como archivo dañado en el dispositivo de almacenamiento utilizado en la práctica. A pesar del inconveniente de la gráfica dañada las demás gráficas están en perfecto estado. Las gráficas obtenidas concuerdan con las gráficas esperadas en esta práctica. Las gráficas fueron verificadas por la profesora de la materia. La práctica se llevó a cabo sin mayores percances. 20

21 Conclusiones. La amplitud de voltaje vario cuando se sustituyo el cable Nº1 por el cable Nº2, puesto que los cables no eran de la misma longitud. La amplitud disminuye por efecto de la mayor atenuación de la señal óptica causada por la mayor longitud de la fibra. Al doblar la fibra de plástico la amplitud de la onda disminuye esto se debe a las perdidas de curvatura de la fibra. El funcionamiento de la Fibra Óptica es un complejo proceso con diversas operaciones interconectadas. En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. 21

22 Bibliografía. es.wikipedia.org html.rincondelvago.com 22